基于拓撲優化的塑料尾門仿真設計

楊濤 劉瑩 喬鑫

摘 要：為了探索一種滿足結構要求同時盡可能的降低其重量的塑料尾門設計結構，文章基于變密度法，建立連續的尾門拓撲優化模型，填充內板與外板之間的腔體作為優化空間，根據是否將密封面作為優化對象，分別建立了全拓撲優化和局部拓撲優化兩種方案，以結構設計區域體積最小為目標函數。針對模態，彎曲，扭轉，中部剛度分別制定了優化目標，得到了載荷最優傳遞路徑及它們之間的連接形式，結果表明該優化結構滿足尾門設計要求，可為尾門下一步詳細設計提供依據。

關鍵詞：拓撲優化;變密度法;塑料尾門中圖分類號：U462

文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-68-03

前言

“以塑代鋼”作為汽車輕量化設計的有效手段之一，已被越來越多的汽車廠家所重視。塑料件從內飾逐步走向外飾，目前已塑料覆蓋件的應用為主，包括塑料翼子板，塑料前端模塊，塑料發艙蓋以及塑料尾門等。其中，汽車塑料尾門和塑料前端模塊的應用是近年來各大主機廠在輕量化方向比較傾向的思路。

塑料尾門在重量上較傳統金屬尾門有較大程度降低，但由于材料特性，其結構性能很難達到設計要求。文獻^[1]中對尾門內板進行拓撲優化，得出尾門內板筋的最有布置，并對其形狀和尺寸進行變量優化。文獻^[2]對多材料分塊車門內板進行拓撲優化和形貌優化。文獻^[3]基于靈敏度以及尺寸優化對車門進行了輕量化進行了研究。

本文以某型號SUV在研塑料尾門為基礎，綜合考慮模態，剛度，重量等多方面影響，以內板和外板的腔體作為優化空間，根據是否保留密封面設計了兩種優化方案，得到了最有的載荷傳遞路徑，大幅提升了性能前提下明顯減重的效果，為輕量化設計提供了指導。

1 某塑料尾門性能分析

該尾門內板和外板均為塑料件，如圖1所示，內板采用PPGF40-0455，外板采用材料PP-TD20，在門鎖及兩側撐桿位置有加強件，材料力學參數見表1，內板和外板通過粘膠連接。對尾門的仿真主要考察模態和剛度，其中模態主要考慮第一階扭轉模態，剛度分析包括彎曲剛度，扭轉剛度和中部剛度，分析工況和指標見表2。

原始塑料尾門的模態剛度分析結果見表3，通過對比分析結果與公司標準，我們可以看出，塑料尾門的一階模態與目標值基本相當，但剛度結果不滿足要求，這就要求我們對尾門結構進行優化，使其既滿足減重的目標又達到性能的標準。

可以采用直接法和對偶法兩大類方法進行尋優，根據具體問題選擇適當的數學規劃方法（如COLIN方法）加以求解。當連續兩次迭代計算的目標值之差小于預設的收斂容差時，優化結束^[5]。

3 塑料尾門拓撲優化

結合尾門的分析工況，在保證結構性能的前提下對塑料尾門進行拓撲優化，以達到性能達標且體積分數最小的目的。

3.1 尾門內板完全拓撲優化

3.1.1 優化空間的選取

塑料尾門一般采用注塑成型，在不改變門鎖，鉸鏈及氣彈簧等安裝孔位置的前提下，縫合內板與外板使之構成一個封閉空間，采用四面體單元填充此封閉空間，四面體單元與外板節點重合，刪除內板殼單元，采用該四面體作為優化對象。如下圖2所示。

3.1.2 建立優化的約束響應

選擇模態，彎曲剛度，扭轉剛度和中部剛度四種工況，以其目標值作為約束響應。

3.1.3 優化目標的確定

在保證剛度模態目標滿足的前提下，選取體積分數作為優化目標，確保尾門的重量最小。

3.1.4 優化結果

最終的拓撲優化模型結果如圖3、圖4所示，將優化模型進行處理后重新用軟件Nastran進行分析，得到的剛度模態結果與原始模型進行對比，見表4。

由上表可以看出，優化后的塑料尾門模態剛度均有較大幅度的提升，可以滿足公司標準。不過查看拓撲后的內板結構，我們發現內板的密封面被優化了很多，局部區域不再連續，出現了很多‘空白。這顯然與實際的設計要求不符，故應該對非設計區域進行保留，以滿足設計要求。

3.2 保留密封面的內板拓撲優化

為保證尾門密封面的保留，在設計優化區域時就應把密封面隔離出來，首先仍然選取內板與外板間腔體填充的四面體作為優化空間，然后提取其外表面殼單元，保留密封面區域單獨作為一個part，密封面殼單元與優化空間內的體單元節點重合。這樣就可以保留密封面的前提下對內部進行拓撲優化。拓撲優化結果見圖5、圖6。

提取優化后的拓撲結構，模型進行處理后重新提交軟件nastran進行計算，計算結果見表5。

通過上表我們可以看出，拓撲優化后的模型剛度模態值均較優化前有所提升，基本滿足公司標準。

3.3 拓撲優化前后重量對比

拓撲優化前后的重量對比見表6，采用兩種拓撲策略后的優化模型，重量相差不大只有0.04kg，分別較原模型降低了0.78kg和0.74kg，為原車門內板的13.4%和12.7%，原尾門總質量的4.5%和4.2%，減重效果明顯。

4 結論

本文中，針對某公司在研塑料尾門性能不足的問題，以內板外板間空腔作為優化空間，采用完全拓撲和保留密封面的局部拓撲兩種方案，對其進行了拓撲優化，找到了載荷最優傳遞路徑，并分別提取拓撲結構重新進行了分析計算，兩種方案優化后均較原模型有所改善，基本滿足公司標準，且重量也較之前有明顯降低。

本文的拓撲結構處于概念設計階段，實際設計還應根據內飾的安裝位置進行拓展設計，完善細節結構。

參考文獻

[1] 郭玲玲，譚東升，劉向征.基于拓撲優化和多目標優化的掀背門輕量化研究[J].汽車零部件，2017，06，002.

[2] 干年妃，馮秋翰，顧紀超，張學平.基于拓撲優化的多材料分塊車門內板結構設計[J].汽車工程，2016，02，021.

[3] 葉盛，辛勇.基于靈敏度及尺寸優化的汽車車門輕量化[J].機械設計與研究，2013，29（6）.

[4] 周克民.結構拓撲優化的一些基本概念和研究方法[J].力學與實踐，2018，40（3）.

[5] 洪清泉，趙康，張攀.Optistruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2012.