汽車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

汽車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念可以追溯到60年代中期的don等人的工作。1973年，rossw和西寧提出了變厚板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開啟了連續(xù)體的優(yōu)化序列。在20世紀(jì)80年代后期,隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的逐漸豐富與完善以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)重新引起了眾多學(xué)者的關(guān)注,并取得了前所未有的發(fā)展,成為國(guó)際上最前沿的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法之一。在汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中拓?fù)鋬?yōu)化也有成功應(yīng)用的實(shí)例。1995年,福特汽車公司的R.J.Yang和C.J.Chen對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的約束定義問題進(jìn)行了研究,通過實(shí)際應(yīng)用,總結(jié)出拓?fù)鋬?yōu)化以剛度最大化為約束得到的結(jié)果要比以應(yīng)力最小化為約束得到的結(jié)果更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2004年,Pederson把拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用到汽車的被動(dòng)安全領(lǐng)域,通過有限元建模和基于遺傳算法的拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)汽車的吸能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2005年A.I.Chahande和R.J.Yang運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法和有限元軟件編寫程序代碼對(duì)車架,車門和曲軸3個(gè)汽車部件進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,并給出了拓?fù)鋬?yōu)化后的修改方案,這是拓?fù)鋬?yōu)化在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一次實(shí)際運(yùn)用,但是以整個(gè)車身為對(duì)象進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的并不多見。運(yùn)用Optistruct軟件對(duì)輕卡車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,拓?fù)涑鰜淼男螤钅軌蛑笇?dǎo)輕卡車身設(shè)計(jì)中骨架結(jié)構(gòu)的布置。同時(shí),對(duì)輕卡車身的輕量化貢獻(xiàn)也很大。1材料模型拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。目前常用的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法有:變厚度法、變密度法及均勻化方法。理論最為完善的是基于有限元的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的均勻方法,它最早應(yīng)用于水利建筑結(jié)構(gòu)工程中的重力壩斷面最優(yōu)化問題。均勻化方法的基本思想是在組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微單元結(jié)構(gòu),如圖1所示。給定設(shè)計(jì)區(qū)域,區(qū)域內(nèi)由許多帶有孔洞的微單元組成。在優(yōu)化過程中,設(shè)計(jì)區(qū)域保持不變,微單元的孔洞大小可以改變,如果某一部分區(qū)域的微單元全部成為孔洞,則這部分區(qū)域便被從設(shè)計(jì)區(qū)域上“移走”,從而形成一個(gè)大孔洞;反之如某部分區(qū)域上微單元的孔洞全部消失,則這部分區(qū)域便組成“實(shí)體結(jié)構(gòu)”。這樣,在初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上均勻分布的材料實(shí)現(xiàn)了重新分配,形成新的結(jié)構(gòu)形式,即可得到在一定條件下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Hassani和Hilton總結(jié)了均勻化方法的理論及其推導(dǎo)過程,給出了不同的材料模型均勻化方程的理論及成果,并構(gòu)造了均勻化方法的拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型。Gea給出了一種材料微單元結(jié)構(gòu)描述拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型,其中用微單元尺寸相位參數(shù)強(qiáng)度系數(shù)表征彈性模量和泊松比,并且得出了很好的效果。輕卡車身結(jié)構(gòu)主要由板殼結(jié)構(gòu)組成,所以要建立拓?fù)鋬?yōu)化的平面問題模型?？紤]質(zhì)量最輕的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。給定設(shè)計(jì)區(qū)域A,首先將設(shè)計(jì)區(qū)域離散為N個(gè)微單元。微單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示,為單元的各邊長(zhǎng)和厚度都取1,則微單元的體積為Vi=1?a2i(1)Vi=1-ai2(1)設(shè)計(jì)區(qū)域的質(zhì)量為m=∑i=1Nvi?ρ(2)m=∑i=1Νvi?ρ(2)式中,ρ為單元的材料密度。將微單元的方形孔邊長(zhǎng)a取為設(shè)計(jì)變量,質(zhì)量m設(shè)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),則拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表述為minm(x)=min∑i=1N(1?a2i)?ρs.t.fi≤0(3)minm(x)=min∑i=1Ν(1-ai2)?ρs.t.fi≤0(3)式中fi≤0是約束條件,可以是應(yīng)力約束、位移約束、模態(tài)頻率約束等。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴},轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。2輕卡車的拓?fù)鋬?yōu)化2.1材料屬性定義首先根據(jù)現(xiàn)有模型的尺寸參數(shù),建立該型輕卡車身的拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型。建立有限元模型時(shí)只考慮車身的整體尺寸大小以及一些主要的形狀特征,留出車窗、車門的設(shè)計(jì)空間。拓?fù)鋬?yōu)化考慮的是車身不同區(qū)域單元密度的優(yōu)化,因此,車身的材料屬性定義為一般鋼材的材料屬性。拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型如圖2所示。2.2從三種工況下變量的關(guān)系中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析根據(jù)該車型在襄樊試車場(chǎng)的扭曲道路試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)剛度不足的問題。拓?fù)鋬?yōu)化過程中以扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況分別進(jìn)行分析,把兩種工況下的車身變形作為約束,計(jì)算車身在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的車身變形情況,計(jì)算得出的變形量大小作為車身拓?fù)鋬?yōu)化的一個(gè)約束變量。2.2.1載荷的加載及約束為了能夠反映車身的實(shí)際使用工況,載荷大小按照第五章剛度分析中乘員和座椅的質(zhì)量設(shè)為300kg。分別在2個(gè)座椅固定位置處加載1500N的集中載荷。由于拓?fù)鋬?yōu)化模型完全采用的殼結(jié)構(gòu)而沒有加強(qiáng)筋布置,如果加載位置太靠近駕駛室中央,會(huì)使地板大幅度地凹陷,不利于拓?fù)鋬?yōu)化的位移參數(shù)定義,也會(huì)降低優(yōu)化結(jié)果的實(shí)際指導(dǎo)意義。所以,載荷的最終加載位置選在座椅安裝直線上最靠近側(cè)圍的點(diǎn)。駕駛室地板4個(gè)對(duì)角點(diǎn)分別建立6個(gè)自由度的全約束。整個(gè)車身的約束和載荷定義,如圖3所示。2.2.2拓?fù)鋬?yōu)化控制扭轉(zhuǎn)工況基于同樣的考慮,分別在地板的前面2個(gè)支點(diǎn)的豎直方向上施加兩個(gè)大小相等、方向相反的力來模擬扭轉(zhuǎn)工況下的車身受力情況。力的大小取1000N。在地板的后面2個(gè)支點(diǎn)建立6個(gè)自由度的約束,如圖4所示。對(duì)兩種工況下車身模型利用有限元軟件進(jìn)行靜力計(jì)算。彎曲工況下最大彎曲撓度為0.6mm,扭轉(zhuǎn)工況下的最大變形為3mm。彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的變形云圖,如圖5和圖6所示。優(yōu)化參數(shù)的定義是拓?fù)鋬?yōu)化的關(guān)鍵,現(xiàn)在還沒有理想的定義規(guī)范,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和不斷嘗試直到得到最佳的優(yōu)化結(jié)果為止。本次拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是車身彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)工況時(shí),在保證車身剛度的前提下使車身的體積最小化,通過優(yōu)化的結(jié)果能夠指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)中加強(qiáng)筋的合理布置。拓?fù)鋬?yōu)化問題可以描述為:設(shè)計(jì)目標(biāo)—車身的體積最小化;約束—彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的位移;設(shè)計(jì)變量—車身設(shè)計(jì)空間的單元密度分布。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),拓?fù)鋬?yōu)化的過程每次運(yùn)算時(shí),先進(jìn)行一次迭代,查看計(jì)算結(jié)果是否收斂并繪出當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化形狀。如果對(duì)結(jié)果不滿意,則繼續(xù)進(jìn)行多次迭代,直到得到滿意的結(jié)果為止。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),總結(jié)了如下的控制方法:1)拓?fù)鋬?yōu)化的位移約束不能比初次運(yùn)算的位移結(jié)果相差太多,一般取初始位移的80%時(shí)得到的優(yōu)化結(jié)果最好、收斂最快。如果位移約束的定義小于初始位移的50%就會(huì)不收斂;反之,如果位移約束的定義大于初始位移,當(dāng)超過初始位移的1.3倍時(shí),拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果不明顯,沒有實(shí)際的指導(dǎo)意義。2)拓?fù)鋬?yōu)化過程中體積目標(biāo)定義為最小化時(shí),優(yōu)化空間最好選擇整個(gè)設(shè)計(jì)空間,這樣得到的結(jié)果是整個(gè)車身單元密度的重新分配,結(jié)果非常明顯。如果想得到車身局部的優(yōu)化結(jié)果,也可以把設(shè)計(jì)空間定義為需要的區(qū)間。2.3彎曲工況下的拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)用Optistruct軟件對(duì)車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,扭轉(zhuǎn)工況下拓?fù)鋬?yōu)化過程和結(jié)果如圖7～11所示。從拓?fù)鋬?yōu)化的過程可以看出車身的頂蓋和后圍的拓?fù)湫螤钪饾u變成“人”字形,地板則出現(xiàn)“X”型,拓?fù)鋬?yōu)化的形狀比較簡(jiǎn)單合理,在生產(chǎn)實(shí)際中并不難實(shí)現(xiàn)。彎曲工況下的拓?fù)鋬?yōu)化過程和結(jié)果如圖10和圖11所示。彎曲工況時(shí),地板拓?fù)鋬?yōu)化的形狀主要向兩側(cè)和載荷施加線上集中。最終的拓?fù)湫螤詈同F(xiàn)在車身的加強(qiáng)筋布置很相似。3拓?fù)鋬?yōu)化分析經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化以后扭轉(zhuǎn)工況下,車身以保證扭轉(zhuǎn)剛度不變?yōu)榍疤?車身質(zhì)量減至原來的75%;彎曲工況下,車身以保持剛度不變?yōu)榍疤?車身質(zhì)量減至原來的82%。結(jié)果說明,通過拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)輕卡車身的輕量化貢獻(xiàn)很大。另外,通過拓?fù)鋬?yōu)化方法拓?fù)涑鰜淼男螤钅軌蛑笇?dǎo)輕卡車身設(shè)計(jì)中骨架結(jié)構(gòu)的布置。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果,對(duì)輕卡車身的加強(qiáng)筋布置提出如下建議:拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果說明,扭轉(zhuǎn)工況下,地板和頂蓋覆蓋件在沖壓工藝過程中,沖壓“X型”交叉的加強(qiáng)筋布置,后圍的加強(qiáng)筋布置采取“人”字