商用車駕駛室白車身焊點縮減拓撲優化研究

胡玥

摘 要：商用車的駕駛室白車身建立了以固有頻率為約束的體系，以焊點提及最小化作為目標，并且也是最優勢化的模式，根據靈敏度進行分析，并且能夠得到每個單元對于結構性能的貢獻，以此來分析當下有限單元的剔除和保留。尤其在通過拓撲優化之后，能夠讓駕駛室白車自身的焊點數量有明顯減少，并在滿足當下設計的需要的情況下，焊點重新分布。對優化前后進行仿真分析的結果表明，文中的設計模型和分析方法都是有效合理的。

關鍵詞：商用車駕駛室；焊點；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.023

0 引言

駕駛室是商用車最重要的核心部件之一，司機以及乘客在乘坐商用車時的舒適度則和駕駛室好壞有著極大的關系，以及駕駛室的居住性。商用車的駕駛室并不是承載式的車身，對于駕駛室有著高強度的要求卻極其容易滿足，但是為了保證駕駛室所具有的一些特征，就要在設計駕駛室時，還要掌控駕駛室的頻率，以及各種模式的特定需求。焊裝結構的駕駛室白車身其中的各個部分的零件，都是通過焊接結合在一起的，焊接數量直接影響駕駛室白車身的剛度和強度。同時焊點數量直接影響白車身的焊接時間和成本。

1 結構頻率的敏感度和優化的流程

能夠辨識最佳位置的結構，就需要經過細致的分析，最重要的就是駕駛室的動力問題，相對來說，靈敏度的分析是比較復雜的。在有限元當中的分析，結構動特征值的問題為（[K]-ω2j[M]）{φj}={0}（1），其中[K]為總剛度矩陣；[M]為總質量矩陣；ωj為第j階固有頻率；{φj}為對應于ωj的特征矢量。固有頻率ωj及其相應的特征矢量。固有頻率ωj及其相應的特征矢量{φj}通過瑞利商相互關聯[5-6]ω2j=kj/mj（2），其中模態剛度kj和模態質量mj定義，kj={φj}T[K]{φj}mj={φj}T[M]，mj={φj}T[M]{φj}。如要假設從當前的這個結構當中刪除了i個單元，同時由于刪除的該單元已經引起了頻率的變化量了，從公式（2）中導得Δ（ω2j）=Δkjmj-kjΔmjm2j=1mj（Δkj-ω2Δmj）（3）。從靈敏度刪除的第I個單元格，所引發的頻率上的一個變化，還要在根據各個單元格對于結構以及性能的貢獻度進行單元格的刪除，在假如，結構的初始化的材料已經是100%了，進行靈敏度的，這也是第一步要做的，然后在根據靈敏度的到底從而進行單元格的刪除，不斷持續這個過程，直到能夠滿足約束條件停止。

2 有限元模型的建立

經過鋼板和型鋼經過焊接的形式多形成的白車身的駕駛室，在建立模式實體的時候，只要即那里薄板的實體，這樣就導致實體單元格中的有限劃分會很難實行，這種結構只是適用于建立結構的模型以及板梁結構模型。車身的主要結構部分就是前圍、后圍以及地板還有側圍，都是薄板沖壓形成的，利用四邊形以及三角形殼的單元對白車模型進行有限元網格劃分，在劃分之后要進行相應單元格的檢測，不斷的重復節點和重復單元檢查，最終成為商用車駕駛室白車身的有限元模型。但是車身之間的零件都是通過焊接的方式所組成的，是否能夠有效的模擬焊點成為能否保證所分析的正確與否的關鍵之一。ACM是一種焊接的特殊方式，不同于剛性單元結合的方法，更加準確的說它是由一個六面體以及單元格的組成部分，能夠比目前情況還要準確的模擬焊點信息，與此同時，還要注意的是不應該增加局部的剛度。

3 拓撲優化模式的建立以及分析

在優化過程中，材料密度是在（01）的區域之間分布的，這些關鍵點所集中的材料才是具有靈魂的，沒有材料聚集的地方則是空洞的，所以才能夠找到新的托普形式，但是由于有的單元格當中沒有材料，所以其對應的剛度矩陣就是0，發生這樣的情況容易造成剛度和奇異數量的總和很難求的答案。在計算的過程中刪除的一些單元格容易發生在橫型模式下進行優化的時候容易造成很多變化的發生，而且刪除之后的單元格想要參加計算也是非常困難的。所以為了解決這樣的問題，還能確保在計算當中被刪除的單元可以再次加入，就要引入一個很小的下線，這樣就可以避免這樣的問題再次發生，同樣經過確定沒有材料的就是空洞，在之后的分析過程當中，對所做的下線進行結構上的分析。在建立有限元的模式當中，相對應的目標設計以及條件還有其中最重要的就是變量的設計，最終采用Optistruct進行有序的迭代，經過無數次的分子，最后得到焊點空間的優化，同時相對應的結構也成為變化歷程當中的關系，經過不斷的實驗與分析，不難發現整個迭代過程在向優化的目標進行收斂，同時伴隨的情況是隨著迭代步數的不斷增加而進行減小的活動。采用OSSmooth工具，能夠將優化設計放到設計空間相對應的單元格當中，同時能夠得到最優化的拓撲結構。與此同時，在截取白車身前圍的一個部分，然后經過與之前的對比可以發現，焊點數量比優化之前有縮減了很多，而且優化之后的焊點數目分布也更加合理。

4 駕駛室剛度計算與驗證

根據相關文獻的分析和研究，在條件已經滿足剛度準則的時候來確定結構，同時其中的剛度也是可以充分滿足的。彎曲變形等形式都能夠造成駕駛室骨架結構的變形，最為常見的就是駕駛室骨架開口變形，所以對于駕駛室骨架結構的剛度是有要求的。地板經過優化之后產生的變形還是比較大的，但是變大的地方正好能夠承載模擬集中之后的作用處，同時由于扭轉優化時進行剛度的分析，發現優化之后的剛度的扭角有了很大的增加，而且剛度也在不斷下降的。

5 結語

建立商用車白車駕駛室的模型，根據目標優化采用的ACM的建模單元，通過單元格焊接的方式假設空間進行拓撲優化過之后，在進行對應的靈敏度的分析，根據相應的結構以及貢獻度刪除，進一步的建立駕駛室白車身的拓撲優化的模型。在白車駕駛室的滿足條件之下，震動頻率和白車駕駛室的基礎之下，能夠達到基本的標準，能夠使駕駛室的焊點數量減少，同時在該情況下，能夠達到有效的改善駕駛室的焊點分布的目的。

參考文獻：

[1]王登峰，張斌，陳靜，劉偉，孫兆福，吳永剛.商用車駕駛室白車身焊點縮減拓撲優化研究[J].汽車工程，2009，31（04）：326-330.

[2]許冰，胡強，涂小春，胡朝輝.白車身焊點縮減拓撲優化對車身性能研究[J].企業科技與發展，2013（13）：84-86.