车身是汽车行驶运动过程中的主要承载体。车身由大量的部件构成,结构复杂,工作条件也十分复杂。主要的工作载荷包括:驱动惯性力,制动惯性力,转向惯性力,不平路面激励力和动力结构载荷等等。如果车身结构设计中刚度设计不足,则车身的振动频率会引起结构共振,进而引起结构连接的强度失效(产生塑性变形),进而导致车门、窗框、背门框等变形过大。最终导致车门卡死、玻璃破碎、密封失效、漏气漏水等问题。分析车身的刚度,改进车身结构设计,提高车体刚度是非常重要。
车身性能开发金字塔的最底层是消费者最易感知的性能,即操稳性能,而操稳性能直接相关的就是车身的整体刚度性能。(车身扭转刚度、区域刚度是和车身操稳性能相关的,因此车身扭转刚度的性能目标应该满足操稳性能要求,也应该由操稳性能需求来定义。)
通常更高的车身刚度性能对于操稳、NVH、耐久性能是有益的,那是不是说为了提升上述相关性能可以过度提高刚度性能呢?当然不是,刚度性能提升是要满足结构最优化设计原则,即通过结构优化设计来提升材料有效利用率,而不是靠粗暴地堆叠材料来提升刚度性能。在提升刚度性能时还要考虑轻量化要求,只有通过结构优化设计才能够在满足刚度性能要求时,同时满足动力经济性的要求。
结构优化包括拓扑优化、形状优化等方法在优化车身性能中具有非常重要的作用。拓扑优化可以合理优化材料分布,识别车身结构薄弱点。形状优化进一步优化零部件结构形状提升材料效率。
以上包括本田、雷诺、沃尔沃、标志、尼桑、宝马、雷克萨斯、斯柯达、欧宝等车型开发过程中拓扑优化在结构性能优化中的案例。
实际案例:
拓扑优化:
针对车身后端包括C、D柱、dog leg区域进行拓扑优化分析,识别结构弱区域。根据拓扑优化结果进行结构优化设计:
原方案:
方案1:重新设计C环结构
方案2:增加bulk head
这里就不在赘述其他方案,根据拓扑结果可以识别的方案一般包括增加加强件、增加Bulk head、增加焊点、修改形状特征、结构形状优化等。通过以上方案验证,可以提升扭转刚度性能12%左右,同时减重0.8Kg。验证扭转模态性能提升2.3Hz。
对于拓扑优化,大多数人通常会疏忽一个很重要的维度,即保留材料的力学性能当量。如保留材料的截面积、惯量等。如拓扑优化识别出一条重要的路径,需要增加一个传力结构件,但往往车身部件都是钣金件,如何让方案中的钣金件的力学性能和拓扑优化的结果是相当的,这一点需要特别注意。尤其是拓扑结果保留的材料和原车身结构有耦合作用时。
另外一个重要的点,对于拓扑优化结果的方案解读后,如何快速在FE模型中实现方案,如本文中的C环重构、Bulk head生成等,如果不掌握一些快速生成手段,往往需要设计工程师进行CAD数据生成,然后再进行网格重构,这往往就浪费了很多时间。这里推荐meshworks软件,可以快速创建复杂梁、接头等网格。冒昧问一下,上图中C环结构如果是你来做可以完成吗?需要多久?这个案例中大概只需要几分钟就完成了。工欲善其事必先利其器。
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接上文,拓扑优化的解读方案通常是无法得到性能完全相当的结构的。因此需要进一步地进行形状参数优化,进一步提升材料利用率。
形状优化:
形状参数包括C环截面X向尺寸,如何保证C环在变形过程中一直贴合轮罩,焊点连接一直正确生成,这在创建形状参数时需要特殊注意。形状参数还包括C环的位置,Y向高度、X向宽度,以及材料厚度一起组合为多参数优化。当然,还可以包括焊点数量一起作为优化参数进行优化(这里由于计算资源问题,就不给优化结果了,我的X230超算打开模型都够呛了)。通常还可以进一步提升3~5%的刚度性能。
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