張彩婷，王曉花，王國斌，劉志軍

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基于形貌優(yōu)化的某承載式轎車地板結(jié)構(gòu)設(shè)計

張彩婷，王曉花，王國斌，劉志軍

（銀川能源學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750000）

形貌優(yōu)化是在不增加結(jié)構(gòu)重量的前提下，尋找最優(yōu)加強(qiáng)筋分布的方法，以提高鈑金件結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)頻率等。由于地板主要承受運動中產(chǎn)生的振動和沖擊等，易產(chǎn)生振動和噪聲，對舒適性有重要的影響，本文以某承載式轎車為研究對象，對白車身和地板進(jìn)行模態(tài)分析，利用兩種形貌優(yōu)化方法自由起筋優(yōu)化和約束起筋優(yōu)化對地板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提高后地板的模態(tài)頻率值，并對優(yōu)化前后的模態(tài)頻率值進(jìn)行了對比，其優(yōu)化提高了整車的第一階固有頻率，避免整車發(fā)生共振現(xiàn)象。

形貌優(yōu)化；模態(tài)；后地板；加強(qiáng)筋

1 引言

在結(jié)構(gòu)設(shè)計里組成白車身的大鈑金件，比如頂棚、地板等，需要在強(qiáng)度和剛度上達(dá)到一定的要求，以此確保汽車具有很好的承載能力以及NVH性能。低模態(tài)存在的同時也存在著低剛度，故要防止低模態(tài)頻率在地板結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)。常利用增添支撐結(jié)構(gòu)、增大材料的厚度、對沖壓成型過程進(jìn)行優(yōu)化以及使用性能高的材料的方法來提高板件的剛度與強(qiáng)度，而在實際工程中，首要選用鈑金的形貌優(yōu)化方法[1]。

傳統(tǒng)中對鈑金件的加強(qiáng)筋設(shè)計是依照設(shè)計者的經(jīng)驗進(jìn)行的，這就使得最初的設(shè)計不能快速達(dá)到要求或使結(jié)果取得最優(yōu)，進(jìn)行每一次的改進(jìn)都需根據(jù)前一輪的設(shè)計分析，這種傳統(tǒng)的鈑金件設(shè)計方法不僅耗時多而且最終的設(shè)計模型也不一定是最優(yōu)模型，而鈑金件的形貌優(yōu)化法改善結(jié)構(gòu)的效果顯著，并且在成本耗費上也低。

為了表述清楚，本文以某承載式轎車為對象，采用有限元方法，先對白車身進(jìn)行模態(tài)分析[2,3,4]，在白車身的自由模態(tài)分析中，后地板在整車模態(tài)振型中存在顯著的局部模態(tài)，并且整車第一階模態(tài)頻率低于21 Hz，易發(fā)生共振，并且在聲壓貢獻(xiàn)度分析中，后地板對聲壓的貢獻(xiàn)度最大，故本節(jié)選用該車身中的后地板為研究對象，采用HyperWorks中的Optistruct模塊對后地板進(jìn)行形貌優(yōu)化[5,6]，尋找最優(yōu)加強(qiáng)肋的布置。

2 白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在HyperMesh中EIGRL設(shè)定模態(tài)分析中要獲取多少階的模態(tài)參數(shù)，control card設(shè)定模態(tài)分析的求解類型，即SOL103。白車身自由模態(tài)分析下，前10階固有頻率和振型結(jié)果見表1。

表1 白車身有限元模型前十階自由模態(tài)固有頻率和振型

該承載式白車身在低階下模態(tài)振型大部分屬于整車模態(tài)振型，如整車彎曲和扭轉(zhuǎn)等，而局部共振振型大多在高階模態(tài)振型中出現(xiàn)，如地板、頂棚等振型。特殊情況下，可能因為車身局部剛度偏低，在低頻范圍內(nèi)也存在局部振型，有時與整車模態(tài)振型一起出現(xiàn)，該承載式車身的地板等結(jié)構(gòu)是該車身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免發(fā)生共振。

3 后地板形貌優(yōu)化

3.1 后地板模態(tài)計算

在白車身模態(tài)分析里地板中后地板處局部模態(tài)顯著，截取后地板，進(jìn)行約束模態(tài)的分析，如圖1所示約束模型。

圖1 后地板約束模型

3.2 后地板優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 自由起筋優(yōu)化

本文針對后地板大面積板件進(jìn)行形貌優(yōu)化[7,8]。進(jìn)行優(yōu)化的時候，需要考慮零件的布置空間和優(yōu)化計算時間方面的要求，避免優(yōu)化后布置的加強(qiáng)筋結(jié)果與周圍的裝配零件發(fā)生干涉問題，以及優(yōu)化計算時間過于長的問題。

在自由起筋優(yōu)化中，先將原始后地板模型的加強(qiáng)筋抹平，然后以板件的約束模態(tài)固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，使后地板的第一階固有頻率最大，起筋方向與沖壓方向保持一致，從而減小結(jié)構(gòu)的振動[9,10]。從外觀和加工工藝方面考慮，對后地板進(jìn)行加強(qiáng)筋的處理。

優(yōu)化問題可以描述如下：

（1）設(shè)計目標(biāo)：后地板的第一階固有頻率最大。

（2）設(shè)計約束：肋的分布以及尺寸大小。

（3）設(shè)計變量：節(jié)點相對在殼單元中性面法向上的擾動。

形貌優(yōu)化設(shè)計參數(shù)如表2所示，優(yōu)化區(qū)域如圖2所示。

表2 優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

本文選用Hyperworks軟件，優(yōu)化后查看后地板的自由起筋優(yōu)化最后一步迭代的形狀云圖信息，其加強(qiáng)筋布置結(jié)果云圖如圖3所示，圖中顯示的紅色區(qū)域表示加強(qiáng)筋的起筋高度為8 mm。

圖3 自由起筋優(yōu)化結(jié)果

3.2.2 約束起筋優(yōu)化

圖4 不同區(qū)域優(yōu)化示意圖

根據(jù)自由起筋優(yōu)化結(jié)果的起筋模式，又考慮到焊點位置以及工裝等要求，將后地板分為6個區(qū)域，如圖4所示，每個區(qū)域的起筋方式不同，設(shè)計變量及約束目標(biāo)的定義與自由起筋優(yōu)化一致。

利用OptiStruct對后地板進(jìn)行約束起筋優(yōu)化的計算，利用HyperView查看約束起筋優(yōu)化結(jié)果，如圖5所示最后一步迭代的形狀云圖結(jié)果，由圖中可以看出，此時優(yōu)化后的后地板上加強(qiáng)筋布置方式比較規(guī)則，備胎槽中加強(qiáng)筋以徑向分布，后地板前部凸包處和后部局部呈現(xiàn)線性分布。

圖5 約束起筋優(yōu)化結(jié)果示意圖

3.2.3 后地板局部區(qū)域結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

通過形貌優(yōu)化，獲取到的結(jié)構(gòu)材料的布置方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可供參照，但和實際工程還是有一定的差距，所以需依照結(jié)構(gòu)在實際中的方式，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗恼透纳啤＝Y(jié)合自由起筋和約束起筋兩種形貌優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果，對圖6(a)中優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，考慮到軟件計算得到的加強(qiáng)筋高度是非圓整參數(shù)，需對其進(jìn)行圓整處理，所以位移小于2.667 mm的區(qū)域面積不作考慮，位移在2.667 mm~3.556 mm之間的區(qū)域起筋高度設(shè)計為3 mm，大于3.556 mm的區(qū)域加強(qiáng)筋高度設(shè)計為6 mm。其中，備胎槽以中心區(qū)域為中心點，周圍平面和側(cè)壁按一定間隔布置放射狀加強(qiáng)筋，最終優(yōu)化結(jié)果模型如圖6(b)所示。

圖6 后地板模型

4 優(yōu)化結(jié)果分析

采用最終加強(qiáng)筋布置的后地板模型，裝配到白車身模型，以驗證。依然選用Block Lanczons方法對白車身進(jìn)行自由模態(tài)分析，如圖7所示后地板優(yōu)化后白車身的第一階模態(tài)振型云圖。

由圖7可知，白車身第一階振動位移量幅值和前保險杠的位移幅值減小，降低了白車身的第一階振動幅度。白車身第一階模態(tài)頻率從20.12 Hz提高到21.9 Hz，提高了8.8 %，達(dá)到提高白車身結(jié)構(gòu)的第一階固有模態(tài)頻率的目的，從而避免與路面產(chǎn)生的激勵發(fā)生共振，優(yōu)化后的后地板模型比原始的后地板減重0.02 kg。通過對后地板形貌優(yōu)化，提高了地板的剛度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，此方案既改善了車身的振動特性又滿足了輕量化的要求。

圖7 白車身第一階固有振型

5 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元分析方法，選用HyperMesh中OptiStruct模塊對車身后地板進(jìn)行形貌優(yōu)化分析。結(jié)果表明，在不增加結(jié)構(gòu)重量的前提下，基于成本節(jié)約的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化后地板的加強(qiáng)筋起筋方式和位置，可以有效增強(qiáng)后地板的模態(tài)性能，提高后地板的剛度，并提高白車身結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)頻率，錯開與路面激勵頻率，避免發(fā)生共振。

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Structural design of a certain type of car floor based on morphology optimization

Zhang Caiting, Wang Xiaohua, Wang Guobin, Liu Zhijun

( School of mechanical and automotive engineering, Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750000 )

Morphology optimization is a method to find the optimal reinforcement distribution without increasing the weight of the structure, so as to improve the stiffness and modal frequency of the sheet metal structure. As the floor is mainly subjected to vibration and impact in motion, vibration and noise are easily produced, and it has an important influence on comfort. A bearing car is taken as the research object, carries out modal analysis to the body and floor of the white body and floor, and makes use of two kinds of morphology optimization methods to optimize the reinforcement and restrain the reinforcement to the floor. In order to improve the modal frequency value of the rear floor and compare the modal frequency values before and after the optimization, the optimization improves the first natural frequency of the whole vehicle and avoids the resonance phenomenon of the whole vehicle.

shape optimization; modal; rear floor; stiffener

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

張彩婷（1991-），女，寧夏回族自治區(qū)吳忠市人，碩士研究生，助教，主要研究方向為車身CAD/CAE/CAM。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.055