基于形貌优化的某承载式轿车地板结构设计

张彩婷，王晓花，王国斌，刘志军



基于形貌优化的某承载式轿车地板结构设计

张彩婷，王晓花，王国斌，刘志军

（银川能源学院机械与汽车工程学院，宁夏回族自治区 银川 750000）

形貌优化是在不增加结构重量的前提下，寻找最优加强筋分布的方法，以提高钣金件结构的刚度和模态频率等。由于地板主要承受运动中产生的振动和冲击等，易产生振动和噪声，对舒适性有重要的影响，本文以某承载式轿车为研究对象，对白车身和地板进行模态分析，利用两种形貌优化方法自由起筋优化和约束起筋优化对地板进行结构优化设计，以提高后地板的模态频率值，并对优化前后的模态频率值进行了对比，其优化提高了整车的第一阶固有频率，避免整车发生共振现象。

形貌优化；模态；后地板；加强筋

1 引言

在结构设计里组成白车身的大钣金件，比如顶棚、地板等，需要在强度和刚度上达到一定的要求，以此确保汽车具有很好的承载能力以及NVH性能。低模态存在的同时也存在着低刚度，故要防止低模态频率在地板结构上呈现。常利用增添支撑结构、增大材料的厚度、对冲压成型过程进行优化以及使用性能高的材料的方法来提高板件的刚度与强度，而在实际工程中，首要选用钣金的形貌优化方法[1]。

传统中对钣金件的加强筋设计是依照设计者的经验进行的，这就使得最初的设计不能快速达到要求或使结果取得最优，进行每一次的改进都需根据前一轮的设计分析，这种传统的钣金件设计方法不仅耗时多而且最终的设计模型也不一定是最优模型，而钣金件的形貌优化法改善结构的效果显著，并且在成本耗费上也低。

为了表述清楚，本文以某承载式轿车为对象，采用有限元方法，先对白车身进行模态分析[2,3,4]，在白车身的自由模态分析中，后地板在整车模态振型中存在显著的局部模态，并且整车第一阶模态频率低于21 Hz，易发生共振，并且在声压贡献度分析中，后地板对声压的贡献度最大，故本节选用该车身中的后地板为研究对象，采用HyperWorks中的Optistruct模块对后地板进行形貌优化[5,6]，寻找最优加强肋的布置。

2 白车身结构模态分析

在HyperMesh中EIGRL设定模态分析中要获取多少阶的模态参数，control card设定模态分析的求解类型，即SOL103。白车身自由模态分析下，前10阶固有频率和振型结果见表1。

表1 白车身有限元模型前十阶自由模态固有频率和振型

该承载式白车身在低阶下模态振型大部分属于整车模态振型，如整车弯曲和扭转等，而局部共振振型大多在高阶模态振型中出现，如地板、顶棚等振型。特殊情况下，可能因为车身局部刚度偏低，在低频范围内也存在局部振型，有时与整车模态振型一起出现，该承载式车身的地板等结构是该车身结构的薄弱环节，需进行结构优化，避免发生共振。

3 后地板形貌优化

3.1 后地板模态计算

在白车身模态分析里地板中后地板处局部模态显著，截取后地板，进行约束模态的分析，如图1所示约束模型。

图1 后地板约束模型

3.2 后地板优化设计

3.2.1 自由起筋优化

本文针对后地板大面积板件进行形貌优化[7,8]。进行优化的时候，需要考虑零件的布置空间和优化计算时间方面的要求，避免优化后布置的加强筋结果与周围的装配零件发生干涉问题，以及优化计算时间过于长的问题。

在自由起筋优化中，先将原始后地板模型的加强筋抹平，然后以板件的约束模态固有频率为优化目标，使后地板的第一阶固有频率最大，起筋方向与冲压方向保持一致，从而减小结构的振动[9,10]。从外观和加工工艺方面考虑，对后地板进行加强筋的处理。

优化问题可以描述如下：

（1）设计目标：后地板的第一阶固有频率最大。

（2）设计约束：肋的分布以及尺寸大小。

（3）设计变量：节点相对在壳单元中性面法向上的扰动。

形貌优化设计参数如表2所示，优化区域如图2所示。

表2 优化设计参数

本文选用Hyperworks软件，优化后查看后地板的自由起筋优化最后一步迭代的形状云图信息，其加强筋布置结果云图如图3所示，图中显示的红色区域表示加强筋的起筋高度为8 mm。

图3 自由起筋优化结果

3.2.2 约束起筋优化

图4 不同区域优化示意图

根据自由起筋优化结果的起筋模式，又考虑到焊点位置以及工装等要求，将后地板分为6个区域，如图4所示，每个区域的起筋方式不同，设计变量及约束目标的定义与自由起筋优化一致。

利用OptiStruct对后地板进行约束起筋优化的计算，利用HyperView查看约束起筋优化结果，如图5所示最后一步迭代的形状云图结果，由图中可以看出，此时优化后的后地板上加强筋布置方式比较规则，备胎槽中加强筋以径向分布，后地板前部凸包处和后部局部呈现线性分布。

图5 约束起筋优化结果示意图

3.2.3 后地板局部区域结构改进设计

通过形貌优化，获取到的结构材料的布置方法，在结构设计上可供参照，但和实际工程还是有一定的差距，所以需依照结构在实际中的方式，对其进行适当地改正和改善。结合自由起筋和约束起筋两种形貌优化方法的优化结果，对图6(a)中优化区域进行改进设计，考虑到软件计算得到的加强筋高度是非圆整参数，需对其进行圆整处理，所以位移小于2.667 mm的区域面积不作考虑，位移在2.667 mm~3.556 mm之间的区域起筋高度设计为3 mm，大于3.556 mm的区域加强筋高度设计为6 mm。其中，备胎槽以中心区域为中心点，周围平面和侧壁按一定间隔布置放射状加强筋，最终优化结果模型如图6(b)所示。

图6 后地板模型

4 优化结果分析

采用最终加强筋布置的后地板模型，装配到白车身模型，以验证。依然选用Block Lanczons方法对白车身进行自由模态分析，如图7所示后地板优化后白车身的第一阶模态振型云图。

由图7可知，白车身第一阶振动位移量幅值和前保险杠的位移幅值减小，降低了白车身的第一阶振动幅度。白车身第一阶模态频率从20.12 Hz提高到21.9 Hz，提高了8.8 %，达到提高白车身结构的第一阶固有模态频率的目的，从而避免与路面产生的激励发生共振，优化后的后地板模型比原始的后地板减重0.02 kg。通过对后地板形貌优化，提高了地板的刚度，增加了结构的稳定性，此方案既改善了车身的振动特性又满足了轻量化的要求。

图7 白车身第一阶固有振型

5 结论

本文应用有限元分析方法，选用HyperMesh中OptiStruct模块对车身后地板进行形貌优化分析。结果表明，在不增加结构重量的前提下，基于成本节约的基础上，通过优化后地板的加强筋起筋方式和位置，可以有效增强后地板的模态性能，提高后地板的刚度，并提高白车身结构第一阶模态频率，错开与路面激励频率，避免发生共振。

[1] 熊辉,徐有忠,田冠男,等.形貌优化技术在车身钣金件中的应用.[C]//.第四届中国CAE工程分析技术年会论文集.2008:228 -232.

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Structural design of a certain type of car floor based on morphology optimization

Zhang Caiting, Wang Xiaohua, Wang Guobin, Liu Zhijun

( School of mechanical and automotive engineering, Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750000 )

Morphology optimization is a method to find the optimal reinforcement distribution without increasing the weight of the structure, so as to improve the stiffness and modal frequency of the sheet metal structure. As the floor is mainly subjected to vibration and impact in motion, vibration and noise are easily produced, and it has an important influence on comfort. A bearing car is taken as the research object, carries out modal analysis to the body and floor of the white body and floor, and makes use of two kinds of morphology optimization methods to optimize the reinforcement and restrain the reinforcement to the floor. In order to improve the modal frequency value of the rear floor and compare the modal frequency values before and after the optimization, the optimization improves the first natural frequency of the whole vehicle and avoids the resonance phenomenon of the whole vehicle.

shape optimization; modal; rear floor; stiffener

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

张彩婷（1991-），女，宁夏回族自治区吴忠市人，硕士研究生，助教，主要研究方向为车身CAD/CAE/CAM。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.055