基于料厚灵敏度的轿车车身刚度优化

2017-02-16 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:轿车车身一般是承载式车身,是汽车的主要受力总成,车身刚度是考察车身性能的非常重要的指标。本文在汽车开发设计阶段通过优化软件OptiStruct进行车身刚度分析,并对车身钣金进行料厚灵敏度分析,找到车身的薄弱环节,最后通过对车身刚度进行优化,使其满足目标值要求。

1 前言

轿车一般都采用承载式车身结构,是汽车的主要受力总成,白车身刚度是考察车身性能的非常重要的指标,直接影响整车NVH性能和可靠性性能。因此在轿车开发阶段把控好轿车车身刚度,对于提高轿车设计效率和降低开发成本,实现汽车轻量化设计,提高整车性能等都是十分重要的。目前CAE技术广泛应用于汽车行业,是轿车前期开发把控刚度性能的最重要的手段。汽车车身是一个有几百个到上千个零部件组成复杂结构,在设计阶段需要反复修改和优化,采用灵敏度分析可以找到车身结构的薄弱环节,有针对性的进行车身结构修改,从而避免车身设计修改的盲目性,同时它也是车身结构优化的基础。

某轿车白车身为研究对象,使用HyperMesh软件建立白车身有限元模型,用OptiStruct软件对车身结构进行刚度分析,并通过车身刚度料厚灵敏度分析,找到车身的薄弱环节,通过对车身薄弱环节的优化,提高了车身的弯曲和扭转刚度,通过优化,车身的弯曲和扭转刚度满足设计目标,很好的完成了白车身刚度管控。提高了整车的性能。

2 白车身有限元模型

HyperMesh软件对导入其中的白车身几何模型进行分组,抽中面,几何清理(修补缺失面、压缩边、去倒角倒圆、建立washer孔等),选择合适的单元类型和材料类型,对车身结构进行网格划分,其中车身钣金结构、风挡玻璃等部件采用四边形单元为主,三角形单元为辅的shell单元模拟,焊点采用ACM单元类型进行模拟,焊缝采用刚性单元模拟,粘胶用实体单元模拟,共541851个单元,按照网格质量要求进行质量检查,对不满足质量要求的单元进行修改,使其满足网格质量管控要求,并检查单元自由边和单元法向,材料采用统一各项同性本构材料。最后按照BOM表,赋予车身结构正确的材料属性及正确无误的厚度信息。白车身有限元分析模型见图1。

图1轿车车身有限元模型

3 车身刚度料厚灵敏度分析

3.1 车身结构料厚刚度灵敏度理论的理论简介

目前,车身结构弯扭刚度灵敏度广泛的应用于概念轿车车身弯曲、扭转刚度分析、设计阶段车身刚度优化以及车身的减重分析过程中,灵敏度主要指刚度及模态对零部件料厚的灵敏度,包括车身刚度对料厚和材料的灵敏度,模态频率对料厚的灵敏度,以及车身重量对料厚的灵敏度。其中车身结构的刚度可以表示为:

从式子(3)可以看出,厚度灵敏度与初始厚度相关。OptiStruct使用Dresp2卡片可以直接通过位移定义弯曲和扭转刚度,从而直接求解车身弯曲和扭转刚度的灵敏度。

3.2 车身刚度灵敏度分析的三要素

设计目标:以白车身的整体质量最小为优化目标,需要定义总质量响应Dresp1卡片,标识为mass,即把重量响应定义为灵敏度分析的目标。设计变量:以车身零件的厚度为设计变量,需要用desvar定义尺寸变量的初始值,上限值和下限值,并使用dvprel卡片与shell单元厚度关联起来。其中初始值通常设置为shell单元的厚度值。因为灵敏度和shell单元厚度的初始值相关,因此需要正确定义。厚度t与变量var的关系为

。通常设置C0=0,C1=1,其余Ci为0。对于车身的对称部件,建议采用同一个变量。这样可以确保车身对称件厚度相同。并且减少设计变量,从而减少计算时间,提高计算的效率。

约束条件:弯曲刚度≥设计目标值,扭转刚度≥设计目标值,对于灵敏度分析,目标值的大小没有意义,做优化时,设计目标值才是有意义的,约束的定义需要使用dconstr卡片,并与定义刚度的dresp2关联。

3.3 车身刚度的灵敏度分析

通过式(2)计算节点位移相对于零件的料厚参数变化的灵敏度,再通过节点位移和车身刚度之间的联系,进而得到车身弯曲扭转刚度的灵敏度。弯曲和扭转灵敏度计算分析结果如图2、3所示。图2中分别用颜色和柱状图表示车身部件的弯曲刚度灵敏度,根据图2可以清楚看出,弯曲刚度灵敏度大的部件为门槛梁、门槛梁加强板,后纵梁、B柱、后纵梁加强板等,即改变这些部件的厚度,会导致车身结构弯曲刚度的显著改变。根据图3可以清楚看出,扭转刚度灵敏度大的部件为背门框、后纵梁、B柱、后纵梁加强板、备胎、后地板加强板等,即改变这些部件的厚度,会显著改变车身结构弯曲刚度。

图2单位质量的弯曲刚度灵敏度

图3单位质量的扭转刚度灵敏度

4 车身刚度优化

根据车身弯曲、扭转刚度的单位质量的灵敏度结果,很容易找到车身结构的设计弱点,并且通过单位质量的灵敏度,可以有效的提高材料利用率。

车身弯曲、扭转刚度优化的过程大致如下:首先找到车身结构的弱点,车身弯扭刚度灵敏度大的部件,查看此部件结构的应变能比较集中的位置。其次对这些位置进行局部加强,结构局部加强可以从增大局部的空腔面积、增加焊点、焊缝、结构胶;增加结构搭接,外部增加加强件,空腔内部加强件,优化结构的加强筋布置;增加零部件的料厚等。下面是列举一些优化方案。

方案1:门槛梁下移10mm,弯曲刚度提高8%,,扭转刚度提高3%,如图4所示。

方案2:将后地板横梁变形,横梁中部向尾部拉,使其形状由“一”变成拱型,扭转刚度提高5%,弯曲刚度提高2%;如图5所示。

方案3:背门框加厚,扭转刚度提高10%,弯曲刚度提高1%,如图6所示。

方案4:轮毂包延长,并建立搭接关系,扭转刚度提高5%,弯曲刚度提高1%,如图7所示。