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发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于拓扑优化的塑料尾门仿真设计

杨涛,刘莹,乔鑫

(华晨汽车研究院,辽宁 沈阳 110141)

【中国汽车材料网】摘 要:为了探索一种满足结构要求同时尽可能的降低其重量的塑料尾门设计结构,文章基于变密度法,建立连续的尾门拓扑优化模型,填充内板与外板之间的腔体作为优化空间,根据是否将密封面作为优化对象,分别建立了全拓扑优化和局部拓扑优化两种方案,以结构设计区域体积最小为目标函数。针对模态,弯曲,扭转,中部刚度分别制定了优化目标,得到了载荷最优传递路径及它们之间的连接形式,结果表明该优化结构满足尾门设计要求,可为尾门下一步详细设计提供依据。
关键词:拓扑优化;变密度法;塑料尾门

前言
“以塑代钢”作为汽车轻量化设计的有效手段之一,已被越来越多的汽车厂家所重视。塑料件从内饰逐步走向外饰,目前已塑料覆盖件的应用为主,包括塑料翼子板,塑料前端模块,塑料发舱盖以及塑料尾门等。其中,汽车塑料尾门和塑料前端模块的应用是近年来各大主机厂在轻量化方向比较倾向的思路。
塑料尾门在重量上较传统金属尾门有较大程度降低,但由于材料特性,其结构性能很难达到设计要求。文献[1]中对尾门内板进行拓扑优化,得出尾门内板筋的最有布置,并对其形状和尺寸进行变量优化。文献[2]对多材料分块车门内板进行拓扑优化和形貌优化。文献[3]基于灵敏度以及尺寸优化对车门进行了轻量化进行了研究。
本文以某型号SUV在研塑料尾门为基础,综合考虑模态,刚度,重量等多方面影响,以内板和外板的腔体作为优化空间,根据是否保留密封面设计了两种优化方案,得到了最有的载荷传递路径,大幅提升了性能前提下明显减重的效果,为轻量化设计提供了指导。

1 某塑料尾门性能分析
该尾门内板和外板均为塑料件,如图1所示,内板采用PPGF40-0455,外板采用材料PP-TD20,在门锁及两侧撑杆位置有加强件,材料力学参数见表1,内板和外板通过粘胶连接。对尾门的仿真主要考察模态和刚度,其中模态主要考虑第一阶扭转模态,刚度分析包括弯曲刚度,扭转刚度和中部刚度,分析工况和指标见表2。

图1 原塑料尾门结构


表1 材料力学参数


表2 分析工况及指标


表3 原始尾门分析结果


原始塑料尾门的模态刚度分析结果见表3,通过对比分析结果与公司标准,我们可以看出,塑料尾门的一阶模态与目标值基本相当,但刚度结果不满足要求,这就要求我们对尾门结构进行优化,使其既满足减重的目标又达到性能的标准。

2 拓扑优化基本理论
拓扑优化采用的是密度法,简称SIMP方法。将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量。该“单元密度”同结构的材料参数有关(单元密度与材料弹性模量E之间具有某种函数关系),0~1之间连续取值,优化求解后单元密度(或靠近1)表示该单元位置出的材料很重要,需要保留;反之可以去除,从而达到材料的高效利用,实现结构优化的目的[4]。
优化数学模型可表述为:

其中, 是设计变量;f(x)是设计目标;g(x)和h(x)是需要进行约束的设计响应。
带约束的优化问题在最优点处必须满足Kuhn-Tucker条件(K-T条件),对于优化问题,即
目标函数:min f (x)
约束条件:gj(x)≤0
引入拉格朗日乘子:

拉格朗日方程最小化的条件是:

可以采用直接法和对偶法两大类方法进行寻优,根据具体问题选择适当的数学规划方法(如COLIN方法)加以求解。当连续两次迭代计算的目标值之差小于预设的收敛容差时,优化结束[5]。

3 塑料尾门拓扑优化
结合尾门的分析工况,在保证结构性能的前提下对塑料尾门进行拓扑优化,以达到性能达标且体积分数最小的目的。

3.1 尾门内板完全拓扑优化
3.1.1 优化空间的选取
塑料尾门一般采用注塑成型,在不改变门锁,铰链及气弹簧等安装孔位置的前提下,缝合内板与外板使之构成一个封闭空间,采用四面体单元填充此封闭空间,四面体单元与外板节点重合,删除内板壳单元,采用该四面体作为优化对象。如下图2所示。


图2 拓扑优化空间


3.1.2 建立优化的约束响应
选择模态,弯曲刚度,扭转刚度和中部刚度四种工况,以其目标值作为约束响应。
3.1.3 优化目标的确定
在保证刚度模态目标满足的前提下,选取体积分数作为优化目标,确保尾门的重量最小。
3.1.4 优化结果
最终的拓扑优化模型结果如图3、图4所示,将优化模型进行处理后重新用软件Nastran进行分析,得到的刚度模态结果与原始模型进行对比,见表4。

图3 尾门拓扑优化结果(正面)



图4 尾门拓扑优化结果(背面)


表4 拓扑优化尾门分析结果


由上表可以看出,优化后的塑料尾门模态刚度均有较大幅度的提升,可以满足公司标准。不过查看拓扑后的内板结构,我们发现内板的密封面被优化了很多,局部区域不再连续,出现了很多‘空白’。这显然与实际的设计要求不符,故应该对非设计区域进行保留,以满足设计要求。
3.2 保留密封面的内板拓扑优化

图5 尾门拓扑优化结果(正面)



图6 尾门拓扑优化结果(背面)


为保证尾门密封面的保留,在设计优化区域时就应把密封面隔离出来,首先仍然选取内板与外板间腔体填充的四面体作为优化空间,然后提取其外表面壳单元,保留密封面区域单独作为一个part,密封面壳单元与优化空间内的体单元节点重合。这样就可以保留密封面的前提下对内部进行拓扑优化。拓扑优化结果见图5、图6。
提取优化后的拓扑结构,模型进行处理后重新提交软件nastran进行计算,计算结果见表5。
表5 拓扑优化尾门分析结果


通过上表我们可以看出,拓扑优化后的模型刚度模态值均较优化前有所提升,基本满足公司标准。

3.3 拓扑优化前后重量对比
拓扑优化前后的重量对比见表6,采用两种拓扑策略后的优化模型,重量相差不大只有0.04kg,分别较原模型降低了0.78kg和0.74kg,为原车门内板的13.4%和12.7%,原尾门总质量的4.5%和4.2%,减重效果明显。
表6 优化前后尾门重量对比




4 结论
本文中,针对某公司在研塑料尾门性能不足的问题,以内板外板间空腔作为优化空间,采用完全拓扑和保留密封面的局部拓扑两种方案,对其进行了拓扑优化,找到了载荷最优传递路径,并分别提取拓扑结构重新进行了分析计算,两种方案优化后均较原模型有所改善,基本满足公司标准,且重量也较之前有明显降低。
本文的拓扑结构处于概念设计阶段,实际设计还应根据内饰的安装位置进行拓展设计,完善细节结构。

参考文献
[1] 郭玲玲,谭东升,刘向征.基于拓扑优化和多目标优化的掀背门轻量化研究[J].汽车零部件,2017,06,002.
[2] 干年妃,冯秋翰,顾纪超,张学平.基于拓扑优化的多材料分块车门内板结构设计[J].汽车工程,2016,02,021.
[3] 叶盛,辛勇.基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化[J].机械设计与研究,2013,29(6).
[4] 周克民.结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法[J].力学与实践,2018,40(3).
[5] 洪清泉,赵康,张攀.Optistruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2012.


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