基于車身前減震器塔座焊點布置優化研究

錢銀超，袁煥泉，劉向征，鄧賽幫

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

基于車身前減震器塔座焊點布置優化研究

錢銀超，袁煥泉，劉向征，鄧賽幫

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

對前減震器塔座進行了基本性能分析即模態、縱向剛度、側向剛度、垂向剛度、焊點疲勞分析；利用Optistruct軟件，以焊點密度為設計參數，在保證性能滿足設計要求的前提下，以組合應變能為目標對焊點進行了拓撲優化分析，找出冗余焊點，結合焊點疲勞的計算結果確定出最終的優化方案。結果表明：優化后的方案相比優化前減少7個焊點，其模態和剛度性能基本相當，最低處焊點的疲勞壽命提升了一半，滿足設計目標要求。

前減震器塔座；焊點布置優化；組合應變能；疲勞壽命；拓撲優化

0 引言

點焊作為一種高效的連接方式廣泛應用于汽車零部件和整車的制造過程中，但是焊接會降低結構的抗疲勞性能，因此焊點經常會出現失效開裂等問題[1]。傳統的設計方法都是基于一些通用的設計規范進行的，得到的焊點布置設計方案中可能在部分區域存在冗余焊點[2]，另外結構上也不盡合理，往往需要反復幾輪設計才能得到比較理想的方案。如何得到最優的焊點布置一直是業內研究的熱點和難點。文中以前減震器塔座焊點布置為例，闡述焊點布置優化。

減震器塔座是汽車的重要部件，底盤的載荷通過前后減震器塔座傳遞到整個車身。該結構的好壞直接影響到汽車的安全性、可靠性以及NVH等性能。由于減震器塔座是車身的主要受力部件，該結構在汽車開發設計過程中，經常出現焊點生銹、開裂等問題。文中通過有限元的方法找出冗余的焊點，既保證了性能滿足要求，又降低了生產和制造成本。

1 有限元模型的建立及約束參數

1.1 模型建立

文中的有限元分析模型為截取車身模型，主要由前機艙、前地板以及前側圍等組成。車身主要采用殼單元shell來建模，最終建立的有限元模型如圖1所示，整個模型節點數為92 371個，單元數為84 895個。圖中幾何點為焊點。剛度和模態以及焊點拓撲分析中焊點均為ACM單元，疲勞分析中焊點采用CBAR單元進行模擬。

圖1 前減震器塔座有限模型

1.2 前減震塔座性能分析

1.2.1 前減震塔座約束模態分析

約束截取端模型6個自由度，進行約束模態分析，求解得到一階頻率為102.0 Hz,其振型為側圍外板，具體振型如圖2所示。

圖2 前減震器塔座處1階模態振型

1.2.2 前減震塔座剛度分析

約束截取端模型123 456自由度，在減震器塔座中心分別施加X、Y、Z向1 000 N載荷，分別考察該處縱向、側向、垂向剛度性能。求得加載點的位移分別為0.11、0.13、0.71 mm。其中Z向的位移云圖如圖3所示。

圖3 前減震器塔座Z向位移云圖

1.2.3 前減震塔座處焊點疲勞分析

根據實測高強路載荷譜[3]，通過動力學迭代，求解出減震器塔座處的載荷譜，如圖4所示，加入焊點的S-N曲線，利用ncode軟件求解出減震器塔座處的焊點壽命如圖5所示[4-5]。前減震器塔座處最低壽命1 366個循環,等效的實際行駛里程3 647 km，不滿足7 000 km高強路要求。

圖4 前減震器塔座處實測載荷譜

圖5 前減震塔座處的焊點壽命云圖

如何既能夠保證現有剛度、模態以及提升疲勞性能，又能減少冗余焊點是作者此次研究的初衷。

2 前減震焊點布置優化設計模型

2.1 優化設計概述

優化設計是把最佳的方案從眾多滿足要求的方案中選擇出來的設計方法。優化設計將設計問題的物理模型轉化為數學模型，運用最優化數學理論，以計算機和應用軟件為工具，在充分考慮設計約束的前提下尋求滿足預定目標的最佳設計[6]。優化模型通常包括三要素：設計變量、設計約束以及設計目標[7]。優化設計的一般思路是首先確定好設計目標以及設計變量和約束條件，然后建立數學模型，最后利用最優化算法逐步逼近目標的設計。

設計變量是指在優化設計過程中因發生改變而引起目標變化的參數，在滿足工藝及可行性前提下以前減震塔座焊點可行域盡可能布置較多的焊點作為設計變量。

設計約束是整個優化過程的限制條件，是在滿足某些性能前提下進行的優化。

設計目標即目標函數，是要達到的最佳性能，是設計變量的函數。

2.2 優化設計的數學模型

針對不同的目的，選擇不同的設計變量，優化的側重點也不同。以單元密度或結構材料作為設計變量的拓撲優化可以在給定的設計空間內找到最佳的材料分布[8]。其數學模型為[9]：

Find：[(x1,ρ1),(x2,ρ2),…，(xn,ρn)]T

Y(ρ)=[(ρ1),(ρ2),…,(ρn)]T

(1)

Minimize：f(y)=f(x)+f(ρ)

(2)

(3)

式中：密度ρi為拓撲優化設計變量；Y(ρ)為優化的變量；f(y)是優化的目標函數；f(ρ)分別為拓撲優化區域的目標函數；C(yi)和D(yi)分別為優化的約束函數。

2.3 優化設計的步驟

優化設計的主要步驟如圖6所示[10]。

圖6 拓撲優化設計流程圖

(1)設計空間定義，即前減震器塔座28個焊點為設計空間；

(2)優化響應定義，即體積比、三向剛度、模態、組合應變能為響應函數；

(3)約束定義，即體積比小于0.7，不低于原結構剛度和模態；

(4)目標定義，即三向剛度組合應變能最低；

(5)得出優化結果。如圖7所示圓圈為組合應變能較低區域，即可去除的冗余焊點。

圖7 拓撲分析后的應變能分布

2.4 優化后的結果

根據焊點拓撲優化結果去除冗余焊點，然后結合焊點疲勞分析結果對優化后的焊點進行位置優化，最終確定出焊點的最優布置方案如圖8所示。優化后相對于優化前的性能對比如表1所示：整體而言模態和剛度優化前后基本相當，優化布置后焊點個數比原方案少了7個，最低處壽命提升一半，基本滿足強化耐久路7 000 km要求。

圖8 焊點優化后的壽命云圖表1 優化前后性能對比表

1階模態/Hz剛度/mm縱向側向垂向焊點個數焊點壽命/km優化前102.00.110.130.71283647優化后102.00.100.130.72217102變化率/%1001091009975194.7

3 結束語

通過對前減震塔座進行焊點布置優化分析，主要有以下結論：

(1)對前減震器塔座進行了焊點的優化布置分析，主要在滿足模態、縱向剛度、側向剛度、垂向剛度等性能要求條件下

對焊點進行了基于組合應變能的拓撲分析。

(2)設計變量選取即焊點的可行域處理，此次是在滿足工藝等可行因素下進行的焊點拓撲優化布置，更具有實際的可行意義。

(3) 綜合考慮疲勞等因素進行焊點選取，避免了后續性能沖突的影響。

(4)由于前減震器塔座處對于碰撞性能影響相對較少，因此此次分析未予考慮。

(5)通過對焊點布置優化分析,既提升產品性能又降低制造成本，所得結論對以后焊點優化布置有一定的借鑒意義。

【1】朱濤,高峰，劉國梁.車身結構中焊點疲勞壽命預估[J].汽車技術，2006(2):37-39. ZHU T,GAO F,LIU G L.Pre-estimation of Fatigue Lifetime of Welding Spots of BIWs[J].Automobile Technology,2006(2):37-39.

【2】呂毅寧,呂振華.OptiStruct在車身結構焊點布置優化設計中的應用[C]//Altair 2008 HyperWorks 技術大會論文集,2008.

【3】《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊:試驗篇[M].北京:人民交通出版社，2001:679-680.

【4】林曉斌.虛擬疲勞壽命與工程設計[J].虛擬工程與科學，2001(5):100-110.

【5】HEYES P J,FERMERM.工程預測焊點疲勞壽命[J].林曉斌,譯．中國機械工程，1998,9(11):35-38.

【6】王彩霞,錢銀超,和亞剛.OptiStruct優化技術在汽車行李箱蓋設計中的應用[C]//Altair 2012 HyperWorks 技術大會論文集,2012.

【7】杜建鑌.結構優化及其在振動和聲學設計中的應用[M].北京:清華大學出版社,2015:1-5.

【8】張偉,侯文彬,胡平.基于拓撲優化的電動汽車白車身優化設計[J].湖南大學學報(自然科學版),2014,32(10):28-30. ZHANG W,HOU W B,HU P.The Body in White Optimization of an Electric Vehicle Using Topology Optimization[J].Journal of Hunan University (Natural Sciences),2014,32(10):28-30.

【9】徐巖,陳塑寰.汽車零部件結構的拓撲優化設計[D].長春:吉林大學,2009:58-72.

【10】徐杰,雷剛,曹建國，等.轎車車門焊點布置優化設計及仿真分析[J].重慶工學院學報(自然科學版),2009,23(11):25-28. XU J,LEI G,CAO J G,et al.Spot Weld Layout Optimization and Simulation Analysis of Automobile Door[J].Journal of Chongqing Institute of Technology,2009,23(11):25-28.

Optimization on the Solder Joints Layout of Vehicle Body Front Damper Tower

QIAN Yinchao, YUAN Huanquan,LIU Xiangzheng, DENG Saibang

(Automobile Engineering Research Institute of Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434, China)

Basic performance analyses for the front damper tower were completed,through including modal analysis, longitudinal stiffness analysis, lateral stiffness analysis, vertical stiffness analysis, solder joint fatigue analysis.Then using Optistruct software, the solder joint density was used as design variable, under the premise of ensuring the performance to meet the design requirements, the topology optimization of the solder joints was carried out taking the combination of strain energy as object, so as to find out the excess solder joints.Finally, the final optimization scheme was determined by the calculation results of the solder joint fatigue life.The results show that after optimization,7 solder joints are reduced compared with before optimization, its modal and stiffness performance are basically equivalent, the lowest fatigue life of the solder joints increases by half, and the optimization results meet the design objectives.

Front damper tower ; Solder joints layout optimization; Combination of strain energy; Fatigue life; Topological optimization

2016-11-22

錢銀超(1985—)，男，碩士，工程師，主要研究領域為汽車車身強度耐久及NVH仿真分析。E-mail:qycchina8612@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.003

U463.83+4

A

1674-1986(2017)03-010-04