基于拓撲優(yōu)化的塑料尾門仿真設(shè)計

楊濤 劉瑩 喬鑫

摘 要：為了探索一種滿足結(jié)構(gòu)要求同時盡可能的降低其重量的塑料尾門設(shè)計結(jié)構(gòu)，文章基于變密度法，建立連續(xù)的尾門拓撲優(yōu)化模型，填充內(nèi)板與外板之間的腔體作為優(yōu)化空間，根據(jù)是否將密封面作為優(yōu)化對象，分別建立了全拓撲優(yōu)化和局部拓撲優(yōu)化兩種方案，以結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)域體積最小為目標(biāo)函數(shù)。針對模態(tài)，彎曲，扭轉(zhuǎn)，中部剛度分別制定了優(yōu)化目標(biāo)，得到了載荷最優(yōu)傳遞路徑及它們之間的連接形式，結(jié)果表明該優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足尾門設(shè)計要求，可為尾門下一步詳細設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：拓撲優(yōu)化;變密度法;塑料尾門中圖分類號：U462

文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-68-03

前言

“以塑代鋼”作為汽車輕量化設(shè)計的有效手段之一，已被越來越多的汽車廠家所重視。塑料件從內(nèi)飾逐步走向外飾，目前已塑料覆蓋件的應(yīng)用為主，包括塑料翼子板，塑料前端模塊，塑料發(fā)艙蓋以及塑料尾門等。其中，汽車塑料尾門和塑料前端模塊的應(yīng)用是近年來各大主機廠在輕量化方向比較傾向的思路。

塑料尾門在重量上較傳統(tǒng)金屬尾門有較大程度降低，但由于材料特性，其結(jié)構(gòu)性能很難達到設(shè)計要求。文獻^[1]中對尾門內(nèi)板進行拓撲優(yōu)化，得出尾門內(nèi)板筋的最有布置，并對其形狀和尺寸進行變量優(yōu)化。文獻^[2]對多材料分塊車門內(nèi)板進行拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化。文獻^[3]基于靈敏度以及尺寸優(yōu)化對車門進行了輕量化進行了研究。

本文以某型號SUV在研塑料尾門為基礎(chǔ)，綜合考慮模態(tài)，剛度，重量等多方面影響，以內(nèi)板和外板的腔體作為優(yōu)化空間，根據(jù)是否保留密封面設(shè)計了兩種優(yōu)化方案，得到了最有的載荷傳遞路徑，大幅提升了性能前提下明顯減重的效果，為輕量化設(shè)計提供了指導(dǎo)。

1 某塑料尾門性能分析

該尾門內(nèi)板和外板均為塑料件，如圖1所示，內(nèi)板采用PPGF40-0455，外板采用材料PP-TD20，在門鎖及兩側(cè)撐桿位置有加強件，材料力學(xué)參數(shù)見表1，內(nèi)板和外板通過粘膠連接。對尾門的仿真主要考察模態(tài)和剛度，其中模態(tài)主要考慮第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，剛度分析包括彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度和中部剛度，分析工況和指標(biāo)見表2。

原始塑料尾門的模態(tài)剛度分析結(jié)果見表3，通過對比分析結(jié)果與公司標(biāo)準(zhǔn)，我們可以看出，塑料尾門的一階模態(tài)與目標(biāo)值基本相當(dāng)，但剛度結(jié)果不滿足要求，這就要求我們對尾門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其既滿足減重的目標(biāo)又達到性能的標(biāo)準(zhǔn)。

可以采用直接法和對偶法兩大類方法進行尋優(yōu)，根據(jù)具體問題選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)規(guī)劃方法（如COLIN方法）加以求解。當(dāng)連續(xù)兩次迭代計算的目標(biāo)值之差小于預(yù)設(shè)的收斂容差時，優(yōu)化結(jié)束^[5]。

3 塑料尾門拓撲優(yōu)化

結(jié)合尾門的分析工況，在保證結(jié)構(gòu)性能的前提下對塑料尾門進行拓撲優(yōu)化，以達到性能達標(biāo)且體積分?jǐn)?shù)最小的目的。

3.1 尾門內(nèi)板完全拓撲優(yōu)化

3.1.1 優(yōu)化空間的選取

塑料尾門一般采用注塑成型，在不改變門鎖，鉸鏈及氣彈簧等安裝孔位置的前提下，縫合內(nèi)板與外板使之構(gòu)成一個封閉空間，采用四面體單元填充此封閉空間，四面體單元與外板節(jié)點重合，刪除內(nèi)板殼單元，采用該四面體作為優(yōu)化對象。如下圖2所示。

3.1.2 建立優(yōu)化的約束響應(yīng)

選擇模態(tài)，彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度和中部剛度四種工況，以其目標(biāo)值作為約束響應(yīng)。

3.1.3 優(yōu)化目標(biāo)的確定

在保證剛度模態(tài)目標(biāo)滿足的前提下，選取體積分?jǐn)?shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，確保尾門的重量最小。

3.1.4 優(yōu)化結(jié)果

最終的拓撲優(yōu)化模型結(jié)果如圖3、圖4所示，將優(yōu)化模型進行處理后重新用軟件Nastran進行分析，得到的剛度模態(tài)結(jié)果與原始模型進行對比，見表4。

由上表可以看出，優(yōu)化后的塑料尾門模態(tài)剛度均有較大幅度的提升，可以滿足公司標(biāo)準(zhǔn)。不過查看拓撲后的內(nèi)板結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)板的密封面被優(yōu)化了很多，局部區(qū)域不再連續(xù)，出現(xiàn)了很多‘空白。這顯然與實際的設(shè)計要求不符，故應(yīng)該對非設(shè)計區(qū)域進行保留，以滿足設(shè)計要求。

3.2 保留密封面的內(nèi)板拓撲優(yōu)化

為保證尾門密封面的保留，在設(shè)計優(yōu)化區(qū)域時就應(yīng)把密封面隔離出來，首先仍然選取內(nèi)板與外板間腔體填充的四面體作為優(yōu)化空間，然后提取其外表面殼單元，保留密封面區(qū)域單獨作為一個part，密封面殼單元與優(yōu)化空間內(nèi)的體單元節(jié)點重合。這樣就可以保留密封面的前提下對內(nèi)部進行拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化結(jié)果見圖5、圖6。

提取優(yōu)化后的拓撲結(jié)構(gòu)，模型進行處理后重新提交軟件nastran進行計算，計算結(jié)果見表5。

通過上表我們可以看出，拓撲優(yōu)化后的模型剛度模態(tài)值均較優(yōu)化前有所提升，基本滿足公司標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 拓撲優(yōu)化前后重量對比

拓撲優(yōu)化前后的重量對比見表6，采用兩種拓撲策略后的優(yōu)化模型，重量相差不大只有0.04kg，分別較原模型降低了0.78kg和0.74kg，為原車門內(nèi)板的13.4%和12.7%，原尾門總質(zhì)量的4.5%和4.2%，減重效果明顯。

4 結(jié)論

本文中，針對某公司在研塑料尾門性能不足的問題，以內(nèi)板外板間空腔作為優(yōu)化空間，采用完全拓撲和保留密封面的局部拓撲兩種方案，對其進行了拓撲優(yōu)化，找到了載荷最優(yōu)傳遞路徑，并分別提取拓撲結(jié)構(gòu)重新進行了分析計算，兩種方案優(yōu)化后均較原模型有所改善，基本滿足公司標(biāo)準(zhǔn)，且重量也較之前有明顯降低。

本文的拓撲結(jié)構(gòu)處于概念設(shè)計階段，實際設(shè)計還應(yīng)根據(jù)內(nèi)飾的安裝位置進行拓展設(shè)計，完善細節(jié)結(jié)構(gòu)。

參考文獻

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