34_基于OptiStruct的板厚对车门刚度性能的影响研究_李志祥

Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集  ‐ 1 ‐    基于OptiStruct的板厚对车门刚度性能的影响研究 李志祥 张三磊 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心 上海 201804 摘要：车门总成是汽车不可或缺的结构总成之一，车门结构不仅要求外表美观，其刚度性 能也必须满足设计和试验要求，以保护乘员安全和乘坐舒适性。本文以 OptiStruct 为 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件，利用灵敏度分析法，对车门各零件厚度对车门窗框刚度和谐振约束模态的影响进行分 析研究，以比较全面的了解车门总成各零件对车门静态性能的影响，有针对性的在不增加车 门质量的前提下，优化窗框刚度和谐振约束模态，为此类车门总成的初始设计提供理论和方 法依据。 关键词：车门，OptiStruct，板厚优化，灵敏度分析，谐振模态 1 前言 车门总成包括外板、内板、窗框加强板等结构，是汽车车身结构的重要组成部分，车门 结构如图 1所示: 图 1 某车门结构总成示意图 车门总成必须有适当的强度、刚度、抗凹性、谐振模态以保护乘员安全以及提高车身内 部空腔的谐振模态以改善乘坐舒适性。车门结构的设计不仅要求美观大方，符合整车造型要 求，还必须满足多项试验和设计要求。车门窗框刚度和谐振模态是车门结构最基本的性能要 求，车门结构的设计首先必须满足这两项性能的要求。汽车质量对其燃油经济性有很大的影 响，为了提高燃油经济性，车身结构必须满足轻量化的设计要求，车门总成作为汽车结构的 一部分，也必须进行相应的轻量化设计，如何合理的分配车门结构各零件的板厚成为车门设 计过程中最重要的问题之一。利用 OptiStruct 软件强大的尺寸优化（Size Optimization） Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集  ‐ 2 ‐    功能和灵敏度分析法，能够判断出车零件板厚对车门总成质量各性能的影响度，以合理地确 定各零件的厚度，达到优化设计的目的。 2灵敏度分析理论简介 在进行结构优化前，首先需要进行灵敏度分析以确定各个设计变量对目标函数的影响因 子，再根据影响因子的大小对设计变量进行修改，以便在符合约束条件的情况下，最优化设 计目标。设计变量的灵敏度是相对于目标函数而言的，它是通过设计变量的变化而引起的目 标函数的变化来衡量，灵敏度分析的是优化分析的基础，在进行优化计算前，完全可以根据 灵敏度分析的结果进行结构的改进，这样可以节省大量的计算时间，提高优化效率。 图 2 灵敏度分析在结构优化设计中的作用 灵敏度分析从数学上可理解为：若某一函数 F（x）可导，其一阶灵敏度可表示为: 或 前者称为一阶微分灵敏度，后者称为一阶差分灵敏度。差分灵敏度又可以分为向前差分 灵敏度: 1j j j F F S X + −= ∆ 和中心差分灵敏度: 1 1 2 j j j F F S X + −−= ∆ 为了提高分析精度，还可以进行高阶差分灵敏度分析。 结构分析可分为动态分析和静态分析两个方面，结构灵敏度分析也可分为动态灵敏度分 析和静态灵敏度分析。动态灵敏度分析有特征（特征值、特征向量）灵敏度分析、传递函数 灵敏度分析和动力响应灵敏度分析。静态灵敏度分析可以是应力、位移等。对于汽车来说， 灵敏度分析性能指标主要指车身的刚度、强度、自由模态以及应变能等方面的灵敏度分析； 结构参数主要有零部件的材料、板厚、横截面惯量等。 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集  ‐ 3 ‐    静态刚度对壳单元厚度参数的修改灵敏度为： 1 1 1{ , } [ ] [ , ] { } e e h n n n h ne ne neu K k u − × × × ×= − ∑ 这就是结构位移向量 1{ }nu × 对板厚h的灵敏度计算公式。式中 1{ }e neu ×为 1{ }nu × 中对应单元 e 的分量，即单元唯一向量，ne 为单元自由度；[ , ]eh ne neK × 为未扩阶的单元刚度矩阵。 3 1 2[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] e e e e e ne ne m ne ne b ne ne ne ne ne neK K K Eh K Eh K× × × × ×= + = + 上式中，[ ]em ne neK × 和[ ]eb ne neK × 分别为板壳单元的膜刚度和弯曲刚度，E为材料弹性常数，h为 单元厚度， 1[ ]e ne neK × 与 2[ ]e ne neK × 与 E和h无关，且有： 2 3 1 2 1 2[ , ] [ ] 3 [ ] [ ] [ ] e e e e e h ne ne ne ne ne ne ne ne ne neK E K Eh K Fc K Fc K× × × × ×= + = + 其中， 3c h= ， EF c = ；因此，只需再计算一次各单元的刚度矩阵即可得。 固有频率对壳单元厚度参数的修改灵敏度 2 1 22 1( ( 3 ) ) 8 6 T e e e e e c e m f fEK Eh K A M h f φ ρ φπ ∂ = + −∂ ∑ ρ为材料密度， eA为单元表面积， ecM 是质量阵中与h无关的部分。 灵敏度计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 一般有两种，直接求导法和伴随结构法，直接求导法由 Fox,R.L 和 Kapoor,M.P 提出，经过多人的不断拓展，得到了广泛的推广和应用。伴随结构法是根据电 子学中的伴随结构理论,利用特勒根定理和结构力学中的虚功原来之间的相似性，将网络理 论扩展到机械结构中的一种方法。伴随结构法一般用于计算一阶灵敏度，而且公式推导及计 算比较复杂，概念不直观。而直接求导法物理概念明确，数学推导简单，计算方便，可从一 阶灵敏度扩展到高阶灵敏度，因此得到广泛的应用。 3 车门结构刚度分析 窗框刚度和谐振模态性能是车门总成最基本也是最重要的性能，本文首先利用 HyperMesh 建立某车门有限元分析模型，对其进行窗框刚度和约束模态以确定优化目标。窗 框刚度的有限元模型如图 3所示，约束铰链孔处以及车门锁孔边缘处全部 6个自由度，施加 如图 3所示的大小为 80N，方向垂直于加载面的力，对其进行弯曲刚度的分析。   4各 于此 计目 灵敏 迭代 要指 需要 灵敏 谐振模态分 经分析计算 各零件板 通过灵敏度 此零件板厚对 目标。通过 O 敏度大小。分 代中，某设计 指出的是不管 要予以关注。 敏度如下图 5 图 分析的有限元 算，车门外窗框 板厚灵敏 度分析可以判 对与相应性能 ptiStruct 软 分析出来的灵敏 计厚度，能够提 管灵敏度的值 通过灵敏度 、图 6、图 7 5 板厚对质量 Altair 2011 H 图 3 窗 元模型如图 4 图 4 框刚度没有达 度研究 判断出各零件 能的影响越大 软件的尺寸优 敏度有正负之 提高相应性能 值的正负，只要 的设计分析可 7、图 8所示 量的灵敏度 yperWorks技 ‐ 4 ‐  窗框刚度有限 所示: 4 谐振模态分 达到设计要求 板厚对相关性 ，从而确定关 优化功能和灵 之分，根据灵 能的大小，反 要其绝对值较 可以得到各板 示： 技术大会论文集 限元分析模型 分析模型 求，内窗框刚度 性能的影响因 关键零部件位 灵敏度输出要 灵敏度的定义 反之，负值表 较大就表示此 板厚对质量、 图 6 板厚 集  型 度和谐振模态 因子大小，灵 位置，以便有 要求，可以得 义可知，正值 表示降低相应 此因子对相应 谐振模态、 厚对谐振模态 态满足设计要 灵敏度越大说 有根据的来优 得出各零件板 值表示在此一 应性能的大小 应性能的影响 窗框内外刚 态的灵敏度 要求。 说明对 优化设 厚的 步的 小。需 较大， 度的 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集  ‐ 5 ‐    图 7 板厚对窗框外板刚度的灵敏度图 图 8 板厚对窗框内板刚度的灵敏度图 通过以上灵敏度分析图可以看出对车门质量有较大影响的零件有 13、14，对谐振模态 影响较大的零件有 11、13、19，对窗框外板刚度影响较大的零件有 9、13、14，对窗框内板 刚度影响较大的零件有 13、16。为了更进一步得出每个零件对质量和性能的影响因子，对 各零件的刚度灵敏度和模态灵敏度与质量灵敏度进行对比，确定各零件的优化效率，对比值 越大表示优化效率越高，同时表明某零件对性能的影响远大于对质量的影响，也就是说能在 显著改变性能的同时却对质量的影响较小。 图 9 其他性能灵敏度与质量灵敏度的对比图 通过其他性能灵敏度与质量灵敏度的对比图 9 可以看出，相对于其他零件来说，零件 11、13、19 对谐振模态一阶频率来说更有优化效率，可以在改变一阶模态频率同时，对整 体质量影响也较小，同理零件 9、10、11 对外窗框刚度性能优化效率高于其他零件，零件 16 对内板窗框刚度性能的优化效率高于其他零件。 因此若要提高外窗框刚度值，就零件板厚来说可以对零件 9、10、11 进行优化。 5 结论 灵敏度分析法能够有效地分析各零件板厚对要求性能的影响大小，以便确定关键零部件 进行进一步的优化。利用尺寸优化和灵敏度分析技术相结合，是进行轻量化设计做基本的方 法，首先通过灵敏度分析确定各因素的影响因子大小，再对其进行尺寸优化，能够在达到质 量要求最小的前提下，满足相应的性能要求。本文通过灵敏度分析和尺寸优化相结合的方法， 对某车门的零部件进行具体分析，以确定关键件进行相应的优化，为此类车门性能的分析和 优化提供了理论和方法依据。 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集  ‐ 6 ‐    6 参考文献 [1]胡志远等. 轻型客车车身刚度灵敏度分析及优化.机械强度. 2003 ,25(1) :067～070. 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In this paper, by using OptiStruct software, the influence of thickness of each part of the door assembly to frame stiffness and resonant mode were analyzed using sensitivity analysis method, and a more comprehensive understanding of the various parts’ thickness to door static performance was analyzed, targeted optimizing door frame stiffness and resonant mode under the premise of without increasing the quality of the door, supplying initial design theory and method for such door assembly. Keywords：Car Door OptiStruct Thickness Optimization Sensitivity Analysis Resonant Mode