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基于HyperMesh二次开发的滑移门子系统结构分析和优化 |
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作者：叶青 蔡慧 董丹丹 |
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1 概述
车门是车身结构的重要组成部件，其性能影响着车身结构性能的好坏。结构刚度是滑移门子系统开发过程中的重要性能，它直接关系到整个子系统设计的成功与否，以及整车品质的好坏和成本的高低。
滑移门作为一个综合的子系统，和车厢一起构成乘员的周围空间范围，应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，以满足车门闭合时耐冲击性及侧碰时的耐撞性等各项性能的要求。
滑移门沿着安装于车身侧围上的三根导轨滑动来实现开启和关闭，由于跟传统飞翼门结构有本质区别，决定了其具有某些独特的性能要求和结构组成。滑移门主要的结构件有门外板、门内板、上支架加强板、中支架加强板、下支架加强板、防撞杆、门锁加强板和上中下滑轮支架。滑移门的主要刚度性能要求包括：水平刚度(Horizontal Rigidity)，垂直刚度(Vertical Rigidity)，扭转刚度(Torsional Rigidity)，腰线刚度(Beltline Rigidity)，窗框刚度(Header Frame Rigidity)，车门外板刚度(Outer Panel Rigidity)等。其中尤以水平刚度和垂直刚度性能要求最为关键。
图1 滑移门有限元模型示意图
2 滑移门刚度有限元分析
2.1 有限元模型的建立
滑移门零件的CAD模型在UG中建立, 将CAD模型导入到HyperMesh中, 并进行几何清理。滑移门内饰材料及内部一些传导机构对车门刚度影响较小, 此模型中省略了这一部分的模拟。整个滑移门主要由薄壁冲压件组成,因此采用壳单元进行结构离散,主体为平面四边形单元；对于壁厚较大的滑轮支架，采用实体单元进行结构离散，主体为六面体单元。并对单元长宽比、翘曲、歪斜角等单元参数进行控制。图1 是滑移门有限元模型示意图，表1是滑移门总成分析模型概况。 
表1 模型统计信息
计算中所使用的材料参数如下：
弹性模量：207 GPa
材料密度：7.84E+3 kg/m3
泊松比： 0.3
2.2 基于HyperMesh二次开发的边界条件定义
因为各个分析工况详细的约束方式和加载条件属于GM整车开发流程中保密的内部流程，本文不作具体陈述，以垂直刚度为例，简要介绍其边界条件。
垂直刚度分为前锁位置和后锁位置两个分析工况，两者约束方式相同:在三个滑轮支架上施加约束。
前锁位置加载条件: 在前锁位置施加垂直向下作用力;
后锁位置加载条件: 在后锁位置施加垂直向下作用力。
在整车或滑移门开发过程中，需要五至六轮相同的分析或验证来确保各个开发节点滑移门子系统的刚度性能。为了加快分析进程，我们借用HyperMesh二次开发平台来半自动化地完成刚度分析和结构优化的前处理工作。
HyperMesh提供了多种开发工具，便于用户进行二次开发。我们主要运用宏命令和Tcl/Tk工具语言实现滑移门刚度分析前处理的用户化方案定制。Tcl 是“工具命令语言（Tool Command Language）”的缩写。Tk (Tool Kit)是 Tcl“图形工具箱”的扩展，它提供各种标准的 GUI 接口项，以利于迅速进行高级应用程序开发。
图2 用户自定义宏命令
通过创建用户自定义宏命令（如图2所示），自动链接到由Tcl/Tk工具语言编写的二次开发程序。在完成滑移门系统有限元模型的基础上，通过宏命令Rigidity Analysis启动滑移门刚度分析集成对话框（如图3所示）。
图3 滑移门刚度分析集成对话框
整个二次开发程序主要包含两个部分：边界条件定义和拓扑优化定义。因为滑移门的结构相对固定，均包含前、后锁和上、中、下滑轮支架，我们只需要通过交互式选取滑移门有限元模型中前、后锁和上、中、下滑轮支架对应位置节点。二次开发程序就会自动在HyperMesh模型中生成水平刚度和垂直刚度共四个分析工况对应的约束和载荷；再点击集成对话框中的Analysis按钮，即可自动生成用于RADIOSS静刚度分析的载荷工况。
3 结构优化
3.1 结构优化方法简介
OptiStruct 是以有限元法为基础的结构优化设计工具。它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。拓扑优化（Topology）是在给定的设计空间内达到最优化的材料分布，主要应用于结构的概念设计阶段，其优化结果是后续设计工作的基础，对最终产品的性能和成本有着决定性的影响。
OptiStruct 允许在有限元计算分析时使用多个结构响应，用来定义优化的目标或约束条件。OptiStruct 支持常见的结构响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构应变能、以及各响应量的组合等。
本文针对滑移门车门钣金中的下支架加强板为例进行拓扑优化设计改进，希望在满足刚度性能要求的情况下，达到零件的轻量化，最优化设计。
3.2 滑移门结构的拓扑优化
以滑移门钣金件总成的总重量作为目标函数，根据开发过程不同的优化需求在集成对话框（如图3所示）中选择不同优化选项（如上支架水平刚度要求，下支架水平刚度要求，前锁垂直刚度要求，后锁垂直刚度要求）作为我们拓扑的约束条件，建立如下的滑移门结构OptiStruct优化模型：
min(mass)
f(x)≥T1，Horizontal_rididity_up
f(x)≥T2，Horizontal_rididity_low
f(x)≥T3，Vertical_rididity_front
f(x)≥T4，Vertical_rididity_rear
拓扑优化自变量的选取，一般在结构优化过程中，我们都会有非常明确的优化区域或者零件。不同的优化需求对应不同的优化自变量。基于前面优化需求的定义通过Topology Design Variable按钮来交互式选取相应零件或区域的prop作为优化自变量。完成上述操作之后点击集成对话框中的Optimization按钮，即可自动生成用于OptiStruct拓扑优化分析的CAE模型。
以下支架加强板为例，其设计主要影响到滑移门的下支架水平刚度和前锁垂直刚度。我们选择下支架加强板对应的prop作为优化自变量，选择上述两个刚度要求作为约束条件，钣金件重量作为目标函数，得到的拓扑优化厚度分析结果如图4所示。基于优化结果板厚云图，我们结合以往设计经验对下支架加强板右半部分进行设计改进。对比优化前后的情况，下支架加强板重量减少16%，垂直刚度增加1.5%，而水平刚度只下降2%，且仍然满足刚度性能要求。
图4 下支架加强板拓扑优化分析结果及结构改进示意图
4 分析与结论
本文简要介绍了滑移门子系统结构特点和刚度要求，并结合HyperMesh二次开发进行滑移门刚度分析和结构优化。
结合刚度分析和OptiStruct拓扑优化工具针对滑移门主要结构加强件（包括下支架加强板、中支架加强板、内板腰线加强板）进行结构优化。在保证刚度性能没有明显下降（刚度性能下降<4%）的前提下，下支架加强板减重0.39kg，中支架加强板减重0.15kg，内板腰线加强板减重0.22kg。将各个加强件优化之后的网格模型生成为IGES格式的文件，然后输入到UG 系统中进行二次设计。
在此过程中我们有效利用了CAE工具开展零件的结构优化设计，加速开发流程中CAE和CAD的设计互动。在车门子系统开发全球评审中，我们的优化设计和改进方案也得到了北美通用车门子系统专家的认可。
当然我们应该清醒地认识到不可能通过一两轮优化设计就实现轻量化、最优化设计的目标，随着开发过程的不断推进，也会出现一些新的要求，这就需要我们持续不断地进行一轮又一轮的结构优化。 (end)
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(3/10/2009) |
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