小型电动汽车复合材料尾门结构设计与优化

柏宏 刘晶 彭丹

摘 要：轻量化技术是降低能源消耗、减少汽车排放、提高燃油经济性最有效的措施之一。轻质非金属材料在车身和开闭件领域的应用，是实现整车减重和节能减排的重要技术手段。本文针对某款小型电动汽车尾门，将钣金材料替换为复合材料，并对复合材料尾门结构进行优化设计，最大的实现汽车尾门的轻量化。首先简单介绍了拓扑优化理论和方法，然后对比了钣金材料与复合材料的重要性能，接着利用OptiStruct软件对塑料尾门进行有限元分析，以及性能和重量的优化设计。最终，在满足刚度性能条件下，尾门减重高达30%。本文对注塑成型的纤维增强塑料尾门进行结构优化设计，实现了汽车尾门的轻量化，具有较高的工程实用性。

关键词：轻量化;复合材料尾门;拓扑优化;OptiStruct

1 引言

據报道：汽车减重10%，燃油消耗降低6%-8%[1];对应欧盟CO2排放指标，汽车自身每减少100kg，CO2排放可降低10g/km[2]。目前，实现轻量化主要有两个途径[3]：一是使用如铝合金、工程塑料等轻量化材料;二是采用CAE技术优化汽车相关结构。在能源匮乏的时代背景下，节能减排成为全球的重要目标。一部分车企通过减少气缸数目来实现节能减排，一部分车企通过优化白车身结构实现轻量化。通过钣金材料的优化减重效果并不明显，于是各大企业纷纷研究复合材料，用于替换传统钣金材料。

纤维增强塑料相比传统金属材料而言，具有密度低、比强度高、比模量大等优势。但是，由于纤维增强塑料具有各向异性力学特性、材料组分复杂性、材料热力学特性和损伤机理复杂性，使其在结构设计、制造工艺等方面存在着巨大差异。如何有效设计、分析及高效制造纤维增强塑料汽车零部件成为汽车领域的一种新挑战。为解决这一难题，国内外学者做了大量研究。邢号彬等[4]人在复合材料汽车尾门的轻量化设计中，用CAE技术对尾门进行刚度、模态、热变形分析，最终优化后的塑料尾门相比钣金尾门减重5kg，同时大大提高了造型自由度;李多等[5]人，在保证刚度的要求下，将某款SUV汽车的尾门用塑料材质替换传统金属材料，利用HyperMesh软件在多种工况下进行刚度分析，针对一些不能满足目标工况的结构进行了局部优化，在局部质量增加较少的情况下，实现了尾门刚度的大幅提升;韩旭等[6]人使用 HyperWorks 软件对白车身结构件进行厚度优化，使白车身减重6%的同时，车身的弯曲、扭转刚度以及一阶扭转模态性能都有提升;美国航天航空局兰利研究中心和SGI公司以及福特汽车公司车辆安全部门共同进行了基于碰撞安全性能和NVH性能的轿车BIP（Body In Prime）轻量化研究[7];韩国汉阳大学应用超轻钢车身（Ultra Light Steel Auto Body，即ULSAB）的设计理念和拼焊板工艺，对某轿车的前门内板进行了轻量化设计[8];密西根大学和通用汽车公司，以碰撞中最大吸能为目标，用拓扑优化技术进行零件设计，使零件在满足吸收碰撞能量的条件下实现减重目标，此技术已应用到某款轿车后围结构上[9]。瑞典林雪平大学以安全为前提，对轿车B柱进行轻量化研究，以质量最轻为目标，约束条件为B柱变形中的最大速度，变量为B柱各段的厚度，实现了满足安全性能条件下减重25%[10]的目标。

本文结合实现轻量化的两种途径，使用复合材料替换传统钣金尾门，并对复合材料进行结构优化设计，最大程度实现轻量化。

2 拓扑优化理论和方法

结构优化的目的是使结构在满足一定功用的前提下尽可能的降低成本或者取得最佳性能[11]。分为形貌优化、尺寸优化和拓扑优化。本文采用拓扑优化，在产品研发的初级阶段，定义好产品设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息，OptiStruct将通过拓扑优化技术，根据这些信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的结构拓扑设计方案。这里简单介绍一下拓扑优化的理论和方法。

2.1 拓扑优化理论

拓扑优化应用在产品开发的初级阶段，用户定义产品的设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息，OptiStruct将通过拓扑优化技术，根据这些信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的结构拓扑设计方案，如图1所示。拓扑优化利用OptiStruct求解器，基本流程如图2所示。拓扑优化设计分为离散体拓扑优化和连续体拓扑优化。离散体结构包括桁架、网架和钢架等，离散体结构拓扑优化是在满足给定边界条件下，寻找最优布局;连续体结构主要包括平面结构、板壳结构和实体结构等，在满足设计条件下，在给定设计区域内寻找最优的材料分布，得到最优的拓扑形状。

2.2 拓扑优化方法

拓扑优化的方法包括均质化方法、相对密度法、进化结构优化方法和双向进化结构优化方法。

1）均质化方法：在拓扑结构的材料中引入微结构单胞。以微结构单胞为设计变量，单胞的消长实现微结构的删减，来改变结构的拓扑形状。实体材料所占的面积可用式1表示，单元的密度函数可用式2表示。

Ωs=∫Ω（1-ab）dΩ              （1）

ρ=（1-ab）ρs                    （2）

式中：Ω-设计区域;Ωs-实体区域;ρs为材料的密度;a、b为设计参数，其中0≤a≤1，0≤b≤1。

2）相对密度法：引入一种假想的相对密度在0～1之间可变的材料。直接假定设计材料的宏观弹性常量与其密度的非线性关系。固体各项异性材料罚值模型SIMP （solid isotropic microstructure with penalization）法和材料属性合理近似模型RAMP（Rational Approximation of Material Properties）法。分别可由式3和式4表示。

Eijkl（x）=ρ（x）pE0ijkl           （3）

∫Ωρ（x）dΩ《V                    （4）

式中：V-材料的允许使用量，表示设计过程中的设计空间;P-罚因子;设计变量x∈Ω;Eijkl-材料的伪弹性模量。

3）进化结构优化方法：起源于应力设计技术，低应力或低应变能量密度的材料是低效的可以去除的。材料的去除可以通过改变作为应力或应变能量密度函数的弹性模量或直接删去那些低应力或低应变能量密度的材料空间。

4）双向进化结构优化方法：能够同时删除和增加材料进化结构优化的方法，即在删除低效材料的同时增补高应力区域周围材料，初始设计的区域可以比较小，从而提高计算的效率。

3 钣金材料与复合材料对比

某款小型电动汽车的尾门原始设计为钢板结构，如图3所示。此处将钢板材料替换为复合材料。

经过测量，原钣金尾门总重11.99kg，除去玻璃及金属铰链后，尾门焊合总成总重7.527kg;替换为复合材料后，复合材料尾门总重为10.13kg，除去玻璃及金属铰链后，尾门焊合总成总重5.542kg。焊和总成重量降低了1.985kg。

替换后，尾门重量有所下降，由于复合材料密度明显小于钣金材料，所以复合材料尾门厚度大大增加。为进一步降低尾门重量，接下来对复合材料尾门进行结构优化与设计，在保证相关性能的基础上，最大限度的降低尾门重量。

4 塑料尾门结构优化仿真分析

4.1 结构优化

上面将传统钣金尾门替换为塑料尾门后，重量明显下降，但复合材料厚度有所增加，这里对复合材料尾门进行厚度优化。塑料尾门由尾门内板、尾门外板、加强板等组成。塑料尾门外板材料由注塑成型完成，选择材料时需考虑注塑工艺相关要求。由于尾门的主要受力结构是尾门内板和加强板，故这里仅对尾门内板和加强板做仿真优化，同时选择材料时需考虑刚度要求及周围零件安装需求。

对尾门进行轻量化研究，以拓扑优化技术为指导，以质量最轻为目标，以刚度为约束条件，变量为尾门的厚度。塑料尾门由注塑成型完成，所以对结构要求很高，考虑锁、安装孔及安装工艺和维修便携性，对锁扣上方结构进行开孔设计。

根据拓扑优化的理论和方法，使用OptiStruct求解器对尾门内板进行结构优化设计。优化后尾门焊和总成重量由5.542kg降为4.942kg，进一步减重0.6kg。优化前后如图4所示。

4.2 扭转刚度优化

扭转刚度作为汽车尾门关键性能之一，用复合材料替换传统钣金材料以后，扭转刚度差距明显。根据项目要求，实现复合材料尾门后，性能需与原钣金尾门相当，故以原钣金尾门扭转刚度为目标进行了本次优化。在内板材料、厚度不变的基础上，对复合材料内板结构进行扭转刚度优化，优化过程如图5所示。加载变形由优化前的136.67降低为76.28，卸载变形由优化前的4.13降低为0.75，扭转刚度明显提升，如表1所示。

图5扭转工况拓扑优化云图中，红色区域表示重要区域，可以看做是最佳起筋条的区域。蓝色部分代表的是非重要区域，可挖空节省材料，降低重量。掏空非重要区域后，将内板封板区域结构设计成V型，最终实现了扭转刚度的提升，同时降低了重量，节约了材料。在对标车——新奇骏内板封板区域结构也能看到类似V型结构，如图6所示。

4.3 肋板优化

结合前面优化结果，对尾门肋板采取拓扑优化和形貌优化相结合的方式。在尾门扭转工况下，约束条件设置为体积比小于0.3，尾门总质量保持9.53kg不变，刚度保持不变，拔模x向约束，对称约束，优化目标使应变能最小。优化设计结果如图7所示，图中红色区域为重要区域，故在红色区域做加强板，筋条设计采用W型筋条。

5 结论

本文在某量產小型电动汽车尾门的基础上进行轻量化设计，将尾门原本的钢板材料替换为复合材料，并利用OptiStruct对塑料尾门进行结构优化设计。在保证刚度要求的基础上，将尾门内板封板区域结构设计成“V”型结构，将尾门肋板设计为“W”型筋条。将尾门材料由钢板替换为复合材料后，重量大大降低，并在此基础上进一步优化设计，最大限度轻量化，重量变化情况和扭转刚度变化情况如表2所示。

塑料尾门的应用，除了在轻量化方面能实现30%以上的减重以外，在技术方面也存在巨大优势。在造型方面，具有高的自由度，复杂的造型曲线，时尚靓丽的外观;在零件集成方面，大大减少零件数量，减少模具等工装数量，供应商直接供货尾门总成;在做工方面，外观质量好，装配间隙小，具有更高的尺寸精度;在制造方面有大大提升，具体表现为冲压车间无需冲压，车身车间无需焊接，涂装车间无需电泳、喷涂等。

柳州市科学研究与技术开发计划（柳科计字2017第19号）资助项目。项目名称：汽车纤维增强塑料覆盖件设计制造关键技术研究与产品开发（2017AA10104）。

参考文献：

[1]Joseph C，Benedyk. Light Metalin Automotive Applications[J]. Light Metal Age， 2000，10（1）：34—35.

[2]American Chemistry Council. Chemistry and Light Vehicle[R]. USA， 2012.4.

[3]Srinivasan Laxman，Raj Mohan Iyengar. Achieving Light- Weight Design of Automotive Bodies  with  Advanced  High  Strength  Steels via Structural  Optimization[J].SAE TECHNICAL PAPER SERIES，2009—01—0795.

[4]邢号彬，付燕鹏，谭敦松 等.复合材料尾门轻量化设计[J].工艺材料，2016（37-39）.

[5]李多，代德才，王帅 等.基于刚度要求的SUV车型尾门轻量化研究[J].汽车实用技术，2017，第19期（106-109）.

[6]韩旭.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究[J].汽车工程.2007（29）.

[7]P.O.Marklund， L.Nilssom. Optimization of a car body component subjected to side impact. Struct Multidisc Optim， 21：383-392.

[8]J.K.Shin， K.H.Lee， S.I.Song， et al. Automotive Door Design with the ULSAB Concept using Structural Optimization. Struct Multidisc Optim， 23： 320-327.

[9]R.R.Mayer， N.Kikuchi， R.A.Scott. Application of Topological Optimization Techniques to Structural Crashworthiness. International Journal for Numerical Methods in Engineering， Volume 39， Issue 8： 1383-1403.

[10]Klepaczko J R. Review on critical impact velocities in tension and shear. International Journal of Impact Engineering， 2005，32： 188-209.

[11]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，第40卷第3期（246）.