OptiStruct在商用车驾驶室白车身焊点优化中的应用.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.019.014 10.16638/ki.1671-7988.2023.019.014 OptiStruct 在商用车驾驶室白车身焊点 优化中的应用 毛洪海，杨延功，张钦超（潍柴动力股份有限公司上海分公司，上海 200122）摘要：文章通过优化驾驶室白车身焊点分布，以达到满足驾驶室白车身结构性能的基础上减少焊点数量的目的，建立有限元分析模型。利用 OptiStruct 模块对某驾驶室白车身焊点进行拓扑优化，得到焊点对结构性能贡献量分布情况，并依此调整焊点布置。通过对比优化前后的结构性能表明，驾驶室白车身焊点优化前后模态、刚度前后变化率比较小，运用 Optistruct建立的驾驶室白车身焊点优化模型和分析方法是合理有效的，从而达到降低成本的目的。关键词：商用车驾驶室；白车身；焊点；拓扑优化；OptiStruct 中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)19-72-05 OptiStruct Application on Welding Spot Optimization for the BIW of a Commercial Vehicle Cab MAO Honghai,YANG Yangong,ZHANG Qinchao(Shanghai Branch of Weichai Power Company Limited,Shanghai 200122,China)Abstract:In this paper,a finite element analysis model is established by optimizing the distribution of welding spots on the cab BIW to meet the structural performance of the cab BIW and reduce the number of welding spots.Using the OptiStruct module,topology optimization is performed on the solder joints of a cab body in white,obtaining the distribution of the contribution of the solder joints to structural performance,and adjusting the solder joint layout accordingly.By comparing the structural performance before and after optimization,it is shown that the modal and stiffness change rates before and after the optimization of the cab BIW solder joints are relatively small.The optimization model and analysis method for the cab BIW solder joints established using Optistruct are reasonable and effective,thereby achieving the goal of reducing costs.Keywords:Commercial vehicle cab;BIW;Weld;Topology optimization;OptiStruct 商用车驾驶室作为非承载式车身，其结构性能的考察指标主要有白车身刚度和模态。白车身的结构性能不仅影响着振动噪声、整车耐撞及疲劳耐久等性能，同时对乘员的乘坐舒适性、车辆作者简介：毛洪海（1982），男，硕士，工程师，研究方向为整车疲劳耐久、碰撞和 NVH 仿真分析，E-mail:。第 19 期 毛洪海，等：OptiStruct 在商用车驾驶室白车身焊点优化中的应用 73 操控性等驾驶体验有重要的影响1。通常，驾驶室由薄壁结构的钣金件组成，并采用点焊连接。驾驶室焊点对驾驶室结构强度、刚度、汽车整车噪声、振动与声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）性能及汽车的被动安全性均有很大的影响2，焊点数量和布置不仅影响驾驶室车身的力学性能，还影响焊接能耗、时间等生产成本。同时，传统焊点布置方案采用通用焊接规范制定，可能在部分区域存在冗余焊点3。对于冗余的焊点，有时会导致局部区域结构翘曲变形，反而影响焊点和结构的力学性能。因此，在保持或者满足整车性能的基础上，优化焊点位置、减少焊点数量对降低焊装成本、提高生产效率、防止过设计以及在 VA/VE 车型的开发中有重要的意义。本文主要研究驾驶室白车身焊点对其结构整体性能的影响，得到各个焊点的贡献量，通过调整焊点分布，以达到满足驾驶室白车身结构性能的基础上减少焊点数量的目的。1 优化模型的建立 驾驶室白车身主要分为前围、后围、侧围、地板和顶盖等，其均为薄壁钣金件，各钣金件之间通过点焊连接。将钣金件采用四边形和少量三角形壳单元划分网格，各钣金件间采用 CWELD焊接单元来模拟焊点。两层、三层和四层点焊分别由 1 个、2 个和 3 个 CWELD 单元和 1 个CONNECTOR 组成，CWELD 焊点单元结构如图 1所示。钣金件的螺栓连接采用 RBE2 模拟。以某商用车驾驶室白车身为例，划分网格、建立焊接后模型如图 2 所示，其中壳单元共有 448 111 个，点焊的 CONNECTOR 共有 3 121 个，即焊点包括二层焊有 2 450 个、三层焊有 671 个、四层焊有12 个和 CWELD 单元 3 804 个。图 1 CWELD 焊点单元结构 图 2 组装后驾驶室白车身模型 2 焊点拓扑优化 在 OptiStruct 拓扑优化变密度法中，假设焊点材料的弹性模量由密度决定，每个焊点单元密度为一个设计变量。若焊点单元相对密度接近 0 时，该焊点材料的弹性模量接近 0，表示该焊点单元对考察的优化工况贡献量可忽略不计，代表可以删除的焊点；若相对密度越接近 1 时，表示该焊点单元的贡献量越大，该焊点单元需要优先保留；若相对密度处于中间值，而实际中并不存在“软焊点”对应的材料，考虑将它们的相对密度都保留为 1，这样焊点单元的相对密度只有 1 和 0。该优化问题的数学模型如下4-5：最小化：(X)=min V(X)（1）约束条件：gi(X)0 j=1,m （2）hk(X)=0 k=1,mh （3）（4）式中，X=x1,x2,xn为设计变量；(X)为目标函数；g(X)为不等式约束函数；h(X)为等式约束函数；上角标 L 指 Lower Limit，即下限；上角标 U 指 Uper Limit，即上限。1.优化空间 为了找到设计冗余或对结构性能影响较小的焊点，应最大化地包含设计空间中所有可更改的焊点。本文选取驾驶室白车身所有焊点定义为设计空间。2.优化工况 驾驶室车身为非承载式结构，其静态线性结构性能主要由刚度和模态来衡量。本文优化过程74 汽 车 实 用 技 术 2023 年 中，将采用自由模态、弯曲刚度和前、后扭转刚度指标来考察白车身的性能。3.优化约束 优化约束是在优化过程中必须满足的条件。为了保持驾驶室白车身的性能，需要约束白车身的一阶扭转模态、弯曲刚度、前扭转刚度和后扭转刚度不低于优化前。本文中弯曲、扭转刚度均以加载点的位移为约束条件，即约束加载点的位移绝对值小于优化前的位移绝对值。4.优化目标 拓扑优化结果是得到焊点单元的密度分布，优化目的是减少焊点的数量，因而定义所有焊点的体积最小为优化目标。3 优化结果处理 采用 OptiStruct 进行拓扑优化，经过若干步迭代并收敛后，得到焊点优化的结果。根据最后一步的优化迭代结果，查看其优化的响应，均满足设定的优化约束。使用 HyperView 查看焊点CWELD 单元的密度，不同密度的 CWELD 单元，代表其焊点的空间分布，CWELD 单元密度分布如表 1 所示。表 1 优化后 CWELD 单元密度分布 项目 参数 单元密度 00.1 0.10.9 0.91.0 CWELD 单元数 450 1 531 1 823 所占百分比/%11.8 40.2 48.0 CWELD 单元的密度表示该焊点的敏感程度，即灵敏度。CWELD 单元的密度越高，则说明该焊点对所考察的工况越敏感；反之，密度越低，则该焊点所起的作用越小。考虑到一个三层焊有 2 个 CWELD 单元，四层焊有 3 个 CWELD 单元，可能分布在不同的单元密度组中，因不存在中间密度的单元和不考虑虚焊，故将焊点的 CWELD 单元仅分布在密度为00.1 区间的焊点，认为是可以优化的焊点，优化后焊点密度分布如表 2 所示，密度小于 0.1 焊点分布如图 3 所示。同时，优化过程仅考虑了驾驶室白车身的整体模态、刚度，而未关注关键区域的局部刚度、接头刚度和焊接工艺等，不可优化的接头焊点如图 4 所示，不满足焊接工艺的焊点如图 5 所示。因此，将焊点密度在 00.1 区间的焊点，剔除对局部性能影响较大的焊点以及考虑焊点区域的焊点间距（最小为 20 mm）的疏密布置，最终剩下约 82 个可去焊点，并微调焊点位置，可优化的焊点分布如图 6 所示。表 2 优化后焊点密度分布 项目 参数 单元密度 00.1 0.10.9 0.91.0 焊点层数 2 3 2 34 2 3 焊点个数 327 17 1 086 332 1 037 310 所占百分比 11%45.8%43.2%图 3 密度小于 0.1 焊点分布 图 4 接头焊点（不可优化）图 5 焊点（需优化）第 19 期 毛洪海，等：OptiStruct 在商用车驾驶室白车身焊点优化中的应用 75 图 6 可优化的焊点分布 4 优化验证 驾驶室白车身焊点优化前后模态、刚度对比如表 3、表 4 所示，可以看出，在焊点减少后，其各项性能指标都未出现明显差异，满足设定的目标。减少焊点区域的局部刚度、接头刚度无明显变化，模态位移云图如图 7、图 8 所示，弯曲、扭转刚度的位移云图如图 9图 14 所示。表 3 驾驶室白车身焊点优化前后模态对比 阶数 优化 前/Hz 优化 后/Hz 差异 率 振型 1#21.68 21.68 0%一阶扭转 2#28.49 29.43 0%顶盖局部振动 3#33.24 33.19 0%后围局部振动 4#37.68 37.64 0%中通道局部振动 5#39.30 39.27 0%中通道、侧围局部振动 表 4 驾驶室白车身焊点优化前后刚度对比 性能指标 优化前 优化后 差异值 弯曲刚度/(N/mm)17 039 17 034-5 前扭转刚度/Nm/()42 670 42 637-33 后扭转刚度/Nm/()31 209 31 111-98 图 7 优化前一阶扭转模态位移云图 图 8 优化后一阶扭转模态位移云图 图 9 优化前弯曲刚度位移云图 图 10 优化后弯曲刚度位移云图 图 11 优化前前部扭转刚度位移云图 76 汽 车 实 用 技 术 2023 年 图 12 优化后前部扭转刚度位移云图 图 13 优化前后部扭转刚度位移云图 图 14 优化后后部扭转刚度位移云图 5 结论 本文应用 OptiStruct 软件对驾驶室白车身焊点布置进行了拓扑优化，获得了每个焊点对结构性能的贡献量，并从低贡献量的焊点中选择对局部刚度、接头刚度和焊接工艺等影响较小的焊点 进行删除。通过验证对比优化前后驾驶室白车身性能考察指标，表明优化后的结构性能基本未受影响，验证了驾驶室白车身焊点优化布置的可行性，达到降低制造成本的目的。参考文献 1 予长青.重型汽车结构现代设计M.大连:大连理工大学出版社,1998.2 王桂林.焊点间距对车身构件静强度和疲劳强度的影响研究D.长春:吉林大学,2007.3 吕毅宁,吕振华.OptiStruct 在车身结构焊点布置优化设计中的应用C/Altair中国区2008HyperWork8技术大会论文集.上海:Altair 工程软件(上海)有限公司,2008:19-24.4 张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于 HyperWorks 的结构优化设计技术M.北京:机械工业出版社,2007.5 李楚琳,张胜兰,冯樱,等.HyperWorks 分析应用实例M.北京:机械工业出版社,2008.