OptiStruct在SUV背門結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用

郭敬文

摘 要：背門是SUV車型的重要組成部件，其剛度直接影響著車輛的安全性、舒適性、密封性等。為提高某型SUV的背門剛度，使用OptiStruct對其進(jìn)行了形貌優(yōu)化，經(jīng)驗證，背門的各項剛度性能均有效提升。

關(guān)鍵詞：OptiStruct; 背門;形貌優(yōu)化

1 概述

車門是汽車車身設(shè)計中十分重要而又相對獨立的部件，主要用于緩沖來自外部的沖擊，隔絕車外噪聲等，以保證車輛的安全性、舒適性、密封性等。背門作為SUV車門系統(tǒng)中較大的開閉件，其剛度的大小對整車性能有較大影響。

由于背門剛度不足而導(dǎo)致的問題如下：

（1）背門在關(guān)閉狀態(tài)、按設(shè)計角度開啟最大狀態(tài)以及由于誤操作導(dǎo)致過開的情況下，如果彎曲剛度低會造成后背門變形較大，密封不嚴(yán)，影響車輛外觀品質(zhì)和使用效果。

（2）由于背門尺寸及重量較大，因此需具備一定的下垂剛度，否則會導(dǎo)致背門出現(xiàn)下垂變形而無法正常關(guān)閉。

（3）由于背門安裝有門鎖等部件，如果安裝點的剛度較低，較易出現(xiàn)局部變形，從而會影響門鎖的安裝和使用，也會影響背門的整體剛度。

以上所述剛度，即關(guān)閉彎曲剛度、開啟彎曲剛度、下垂剛度、鎖安裝點剛度，與背門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，為使某型SUV背門剛度滿足要求，需對其背門內(nèi)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 形貌優(yōu)化簡介

形貌優(yōu)化是OptiStruct的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，它廣泛應(yīng)用于提高各種沖壓板件的性能，如減少變形、提高剛度、提高模態(tài)頻率等。在形貌設(shè)計中，設(shè)計空間由大量的節(jié)點波動向量組成，這些節(jié)點波動向量按照一定的模式進(jìn)行組合以滿足設(shè)計約束，并最終生成優(yōu)化后的最佳形貌。

在進(jìn)行SUV背門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，OptiStruct的形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在設(shè)計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點的擾動生成強(qiáng)肋。形貌優(yōu)化的變量不是單元密度，而是形狀參數(shù)，它的設(shè)計區(qū)域首先被劃分為大量獨立的變量，然后進(jìn)行一系列的迭代優(yōu)化，并計算這些變量對結(jié)構(gòu)的影響，直至結(jié)果收斂。

3 背門優(yōu)化實例

3.1 形貌優(yōu)化流程

在HyperMesh中導(dǎo)入某型SUV的背門內(nèi)板數(shù)模，按照圖1所示流程，進(jìn)行有限元模型搭建、形貌優(yōu)化參數(shù)設(shè)置、結(jié)果輸出和評價。

3.2 形貌優(yōu)化設(shè)置

背門內(nèi)板有限元模型如圖2所示，為找出影響背門剛度的關(guān)鍵因素和方法，對其進(jìn)行形貌優(yōu)化，各項主要參數(shù)設(shè)置有以下方面：

（1）約束：約束背門內(nèi)板鉸鏈安裝點的所有自由度。

（2）加載：在背門內(nèi)板鎖安裝點加載集中力。

（3）設(shè)計變量：除安裝面、密封面外的所有內(nèi)板區(qū)域作為優(yōu)化區(qū)域。

（4）響應(yīng)：鎖安裝點的Z向位移作為響應(yīng)輸出。

（5）目標(biāo)函數(shù)：使鎖安裝點的Z向位移絕對值最小。

3.3 形貌優(yōu)化結(jié)果對比

按照圖3形貌優(yōu)化結(jié)果云圖所示區(qū)域，并考慮背門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)布置、沖壓性能等因素，在如圖4所示背門內(nèi)板下部，修改數(shù)模。通過在背門內(nèi)板左下角和右下角起筋，如圖5所示，改善背門的性能。經(jīng)再次分析驗證，背門的關(guān)閉彎曲剛度、開啟彎曲剛度、下垂剛度、鎖安裝點剛度，均得到了有效提升。

4 總結(jié)

OptiStruct的形貌優(yōu)化功能可廣泛應(yīng)用在汽車鋼板沖壓而成的結(jié)構(gòu)件和覆蓋件上，如發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板、前后門內(nèi)板、副車架上下板、各種支架等零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在進(jìn)行形貌優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置時，需結(jié)合零件的性能要求、周邊件的布置要求、沖壓成形的技術(shù)要求等，以使形貌優(yōu)化最大化地應(yīng)用在實際的零件設(shè)計中，從而提高工程師的作業(yè)效率和零件的設(shè)計品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Altair HyperMesh Reference Guide.

[2]洪清泉，趙康，張攀，等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2012，106.