基于 OptiStruct 的車門焊點優(yōu)化設(shè)計

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前言

現(xiàn)代轎車承載式車身及四門兩蓋結(jié)構(gòu)大多由薄板沖壓件通過焊點焊接而成,整車焊點約 4000~
5000 個。現(xiàn)階段焊點主要依據(jù)通用的焊接規(guī)范和工程經(jīng)驗,參考已有成熟車型進行布置。如果結(jié)構(gòu) 性能滿足設(shè)計目標要求,則很少對焊點進行優(yōu)化研究[1]。今年來,隨著有限元分析技術(shù)、拓撲優(yōu)化方 法在汽車設(shè)計過程中的廣泛應(yīng)用,為焊點布置提供了新的方法。通過焊點結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計,可以 找到并減少冗余焊點,選擇合理的焊點布置優(yōu)選方案,降低焊接時間和裝配成本[2]。

轎車車門是由具有復(fù)雜空間曲面形狀的內(nèi)板、外板以及起局部加強作用的加強板通過沖壓和點焊 組合而成的空間薄壁板殼結(jié)構(gòu)。車門作為汽車十分重要而又相對獨立的部件,具有隔絕車外噪聲,緩 沖來自外部的沖擊等舒適性和安全性功能,其剛度、強度性能直接影響整車的品質(zhì)[3]。

本文以某轎車車門的焊點單元為設(shè)計變量,模態(tài)、整體剛度和局部剛度等為約束條件,焊點體積 最小為目標函數(shù)建立優(yōu)化模型,應(yīng)用 HyperWorks/OptiStruct 模塊對車門焊點進行拓撲優(yōu)化,得到不 同密度區(qū)間的焊點分布情況,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗調(diào)整車門焊點布置,并對優(yōu)化前后車門的模 態(tài)、剛度、強度性能進行了對比分析。

2 拓撲優(yōu)化理論簡介

拓撲優(yōu)化技術(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中有前景、創(chuàng)新性的技術(shù),是指在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布,或者傳力路徑,從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計。拓撲優(yōu)化中常用的拓撲表達形式和材料插值模型方法有:均一化方法、密度法、變厚度法和拓撲函數(shù)描述方法。OptiStruct 拓撲優(yōu)化的材料模型采用密度法(SIMP方法),即將有限元模型設(shè)計空間的每個單元的“單元密度(Density)”作為設(shè)計變量。該“單元密度”同結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)(單元密度與材料彈性模型 E 之間具有某種函數(shù)關(guān)系),0~1 之間連續(xù)取值,優(yōu)化求解后單元密度為 1(或靠近 1)表示該單元位置處 的材料很重要,需要保留;單元密度為 0(或靠近 0)表示該單元處的材料不重要,可以去除,從而 達到材料的高效利用,實現(xiàn)輕量化設(shè)計[4]。拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示:

3 車門焊點優(yōu)化模型建立
3.1 車門有限元模型建立

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部的乘用車車門建模標準,建立車門有限元模型,其中鈑金件采用殼單元建模,車門 鉸鏈采用實體單元建模,內(nèi)板和外板之間的包邊結(jié)構(gòu)通過共節(jié)點模擬、粘膠采用六面體單元模擬,內(nèi) 板和各加強板之間的焊點采用 CWLD 單元模擬。模型中用到的材料屬性如表 1 所示。

表 1 車門有限元模型中的材料屬性

3.2 車門焊點優(yōu)化約束條件確定

完整的車門結(jié)構(gòu)性能分析包括模態(tài)分析、整體剛度分析、局部剛度分析、強度分析等 20 多項分 析內(nèi)容,若將所有的分析項目都作為焊點優(yōu)化的約束條件,計算成本高且不易實現(xiàn)。最終結(jié)合工程經(jīng) 驗確定了車門的自由模態(tài)(前三階模態(tài)頻率)、整體剛度(3 項)和局部剛度(1 項)作為焊點優(yōu)化的 約束條件。在車門焊點優(yōu)化模型建立之前,需要對上述分析項目進行預(yù)分析,以確定約束條件的具體 目標值。約束條件的設(shè)置如表 2 所示。

表 2 車門焊點優(yōu)化模型約束條件

3.3 車門焊點優(yōu)化模型建立

優(yōu)化設(shè)計有三要素,即設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變而提 高性能的一組參數(shù);目標函數(shù)是指要求的最佳設(shè)計性能,是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù);約束條件是對優(yōu)化 設(shè)計的限制,是對設(shè)計變量和其它性能的要求。確定了優(yōu)化模型的約束條件后,根據(jù)本文的優(yōu)化目的, 將 CWELD 焊點單元的密度作為設(shè)計變量,焊點單元的體積最小作為目標函數(shù)。設(shè)置完拓撲優(yōu)化相關(guān) 的控制參數(shù)后,車門焊點優(yōu)化模型可以進行求解計算。如果在求解過程中出現(xiàn)不收斂的情況,則需要 對約束條件進行調(diào)整。

4 車門焊點優(yōu)化結(jié)果
4.1 車門焊點優(yōu)化迭代過程

OptiStruct 經(jīng)過 29 次迭代后最終得到焊點空間的優(yōu)化結(jié)果。相應(yīng)的約束條件的變化歷程以及目標函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化關(guān)系如圖 3 所示(圖中僅示例列出一階模態(tài)頻率約束條件隨迭代步數(shù)的變化歷 程)。由圖可知,整個迭代過程是向優(yōu)化目標函數(shù)收斂的。焊點單元的體積隨著迭代步數(shù)的增加不斷 減少,約束條件也隨著迭代部署的增加逐漸向目標值收斂。

4.2 車門焊點優(yōu)化結(jié)果

車門結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化后焊點分布如表 3 所示,其中密度區(qū)間為 0~0.1 中的 16 個焊點為可優(yōu)化的焊 點。由于在建立優(yōu)化模型時未將所有的結(jié)構(gòu)性能分析項目作為約束條件,且約束條件的目標值較原方 案有所放寬,因此需要對優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗進一步取舍。需注意的是,真實的一個三層焊點在模 型中表現(xiàn)為兩個 CWELD 單元,故三層焊點的去留需綜合考察兩個設(shè)計單元的優(yōu)化結(jié)果。

表 3 焊點密度分布表

優(yōu)化結(jié)果中密度區(qū)間為 0~0.1 中的 16 個焊點在車門結(jié)構(gòu)中的分布如圖 4 所示,將 16 個焊點劃分為四個區(qū)域,每個區(qū)域中的焊點都需要經(jīng)過進一步判斷進行取舍。區(qū)域一中的 1 個焊點與周圍焊點 間距較近,判斷為冗余焊點,可直接刪除。區(qū)域二中的 4 個焊點由于連接車門防撞桿與車門內(nèi)板,且 靠近車門鉸鏈附近,對車門強度和開閉耐久性能影響較大,需要全部保留。區(qū)域三中的 5 個焊點通過 稀疏排布減少 2 個焊點。區(qū)域四中的 6 個焊點通過更改焊點位置將兩個焊點合并為一個焊點,可刪除3 個焊點。通過對上述四個區(qū)域中的焊點判斷取舍,共計可刪除 6 個焊點,約占焊點總數(shù)的 5%,需 要對焊點優(yōu)化后的車門結(jié)構(gòu)性能進行全面校核。

4.3 焊點優(yōu)化前后車門性能分析驗證

對優(yōu)化前后車門的模態(tài)、剛度、強度等性能進行對比分析,主要分析結(jié)果對比如表 4 所示。由表 中結(jié)果可知,焊點優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)性能變化最大的是窗戶的橫向剛度,降低約 0.77% ,車門的主要結(jié) 構(gòu)性能基本保持不變,焊點優(yōu)化方案可行。

表 4 車門焊點優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對比

5 結(jié)束

(1)本文應(yīng)用 HyperWorks/OptiStruct 對車門焊點進行拓撲優(yōu)化設(shè)計,在車門結(jié)構(gòu)性能基本保持 不變的情況下,發(fā)現(xiàn)冗余設(shè)計的焊點,單個車門減少了 6 個焊點,降低了生產(chǎn)制造成本。

(2)軟件優(yōu)化結(jié)果要結(jié)合焊接工藝、工程經(jīng)驗等因素進行判斷取舍,方可獲得切實可行的焊點 優(yōu)化方案。

(3)本文僅針對已經(jīng)布置完成的車門焊點進行拓撲優(yōu)化設(shè)計,減少了焊點數(shù)量。若在設(shè)計初期 將焊點的數(shù)量,空間位置等參數(shù)化,通過優(yōu)化工具實現(xiàn)焊點的合理分布,則可取得更為理想的效果。

相關(guān)標簽搜索：基于 OptiStruct 的車門焊點優(yōu)化設(shè)計 Ansys有限元培訓(xùn) Ansys workbench培訓(xùn) ansys視頻教程 ansys workbench教程 ansys APDL經(jīng)典教程 ansys資料下載 ansys技術(shù)咨詢 ansys基礎(chǔ)知識 ansys代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Abaqus培訓(xùn)