有限元分析技術(shù)在汽車車門焊點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

 隨著有限元分析技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化方法在汽車設(shè)計(jì)過程中的廣泛應(yīng)用，為焊點(diǎn)布置提供了新的方法。通過焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可以找到并減少冗余焊點(diǎn)，選擇合理的焊點(diǎn)布置優(yōu)選方案，降低焊接時(shí)間和裝配成本。

 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(qiáng)作用的加強(qiáng)板通過沖壓和點(diǎn)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(duì)獨(dú)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(qiáng)度性能直接影響整車的品質(zhì)。

 本文以某轎車車門的焊點(diǎn)單元為設(shè)計(jì)變量，模態(tài)、整體剛度和局部剛度等為約束條件，焊點(diǎn)體積最小為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，應(yīng)用HyperWorks/OptiStruct模塊對(duì)車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到不同密度區(qū)間的焊點(diǎn)分布情況，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整車門焊點(diǎn)布置，并對(duì)優(yōu)化前后車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

 1、拓?fù)鋬?yōu)化理論簡(jiǎn)介

 拓?fù)鋬?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(jì)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(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化中常用的拓?fù)浔磉_(dá)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?fù)浜瘮?shù)描述方法。OptiStruct拓?fù)鋬?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(jì)空間的每個(gè)單元的“單元密度（Density）”作為設(shè)計(jì)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(dá)到材料的高效利用，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示：

 2、車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立

 （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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(diǎn)模擬、粘膠采用六面體單元模擬，內(nèi)板和各加強(qiáng)板之間的焊點(diǎn)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

 完成的車門有限元模型包含44967個(gè)節(jié)點(diǎn)，40970個(gè)單元，119個(gè)焊點(diǎn)，如圖1所示。為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，分別對(duì)車門結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)如圖2所示，仿真與試驗(yàn)值的最大誤差為3。0%，模型建模較為準(zhǔn)確，可以以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖1車門有限元模型

圖2車門自由模態(tài)仿真與試驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)

 （2）車門焊點(diǎn)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(qiáng)度分析等20多項(xiàng)分析內(nèi)容，若將所有的分析項(xiàng)目都作為焊點(diǎn)優(yōu)化的約束條件，計(jì)算成本高且不易實(shí)現(xiàn)。最終結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)）和局部剛度（1項(xiàng)）作為焊點(diǎn)優(yōu)化的約束條件。在車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立之前，需要對(duì)上述分析項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)分析，以確定約束條件的具體目標(biāo)值。約束條件的設(shè)置如表2所示。

表2車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型約束條件

 （3）車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立

 優(yōu)化設(shè)計(jì)有三要素，即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計(jì)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(biāo)函數(shù)是指要求的最佳設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)；約束條件是對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)單元的密度作為設(shè)計(jì)變量，焊點(diǎn)單元的體積最小作為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)置完拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān)的控制參數(shù)后，車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型可以進(jìn)行求解計(jì)算。如果在求解過程中出現(xiàn)不收斂的情況，則需要對(duì)約束條件進(jìn)行調(diào)整。

 3、車門焊點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

 （1）車門焊點(diǎn)優(yōu)化迭代過程

 OptiStruct經(jīng)過29次迭代后最終得到焊點(diǎn)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(biāo)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(gè)迭代過程是向優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)收斂的。焊點(diǎn)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(biāo)值收斂。

目標(biāo)函數(shù)迭代歷程                                  約束條件迭代歷程

 車門結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后焊點(diǎn)分布如表3所示，其中密度區(qū)間為0～0.1中的16個(gè)焊點(diǎn)為可優(yōu)化的焊點(diǎn)。由于在建立優(yōu)化模型時(shí)未將所有的結(jié)構(gòu)性能分析項(xiàng)目作為約束條件，且約束條件的目標(biāo)值較原方案有所放寬，因此需要對(duì)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步取舍。需注意的是，真實(shí)的一個(gè)三層焊點(diǎn)在模型中表現(xiàn)為兩個(gè)CWELD單元，故三層焊點(diǎn)的去留需綜合考察兩個(gè)設(shè)計(jì)單元的優(yōu)化結(jié)果。

表3焊點(diǎn)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(gè)焊點(diǎn)在車門結(jié)構(gòu)中的分布如圖4所示，將16個(gè)焊點(diǎn)劃分為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中的焊點(diǎn)都需要經(jīng)過進(jìn)一步判斷進(jìn)行取舍。區(qū)域一中的1個(gè)焊點(diǎn)與周圍焊點(diǎn)間距較近，判斷為冗余焊點(diǎn)，可直接刪除。區(qū)域二中的4個(gè)焊點(diǎn)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(duì)車門強(qiáng)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(gè)焊點(diǎn)通過稀疏排布減少2個(gè)焊點(diǎn)。區(qū)域四中的6個(gè)焊點(diǎn)通過更改焊點(diǎn)位置將兩個(gè)焊點(diǎn)合并為一個(gè)焊點(diǎn)，可刪除3個(gè)焊點(diǎn)。通過對(duì)上述四個(gè)區(qū)域中的焊點(diǎn)判斷取舍，共計(jì)可刪除6個(gè)焊點(diǎn)，約占焊點(diǎn)總數(shù)的5%，需要對(duì)焊點(diǎn)優(yōu)化后的車門結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行全面校核。

 （2）焊點(diǎn)優(yōu)化前后車門性能分析驗(yàn)證

 對(duì)優(yōu)化前后車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行對(duì)比分析，主要分析結(jié)果對(duì)比如表4所示。由表中結(jié)果可知，焊點(diǎn)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(diǎn)優(yōu)化方案可行。

圖4可優(yōu)化焊點(diǎn)在車門結(jié)構(gòu)中的分布

表4車門焊點(diǎn)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

 4、結(jié)語(yǔ)

 （1）本文應(yīng)用HyperWorks/OptiStruct對(duì)車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)的焊點(diǎn)，單個(gè)車門減少了6個(gè)焊點(diǎn)，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(yàn)等因素進(jìn)行判斷取舍，方可獲得切實(shí)可行的焊點(diǎn)優(yōu)化方案。

 （3）本文僅針對(duì)已經(jīng)布置完成的車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，減少了焊點(diǎn)數(shù)量。若在設(shè)計(jì)初期將焊點(diǎn)的數(shù)量，空間位置等參數(shù)化，通過優(yōu)化工具實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的合理分布，則可取得更為理想的效果。

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