HyperWorks 在车身结构胶优化中的应用

2016-1-29 10:22| 发布者: 安丰贞| 查看: 1908| 评论: 0|来自: Altair

摘要: HyperWorks Application In Body Structural Adhesive Optimization王宇飞（陶氏化学（中国）投资有限公司汽车系统事业部上海 201203）摘要：结构胶连接在汽车制造中可以起到辅助车身增强的作用，可有效提高车身刚度、碰撞安全性以及耐疲劳性。本文以结构胶对某白车身的静态刚度提升为例，首先采用 HyperMesh 前处理器及 RADIOSS 求解器搭建了静态刚度计算模型，并利用 OptiStruct 的拓扑优化技术针对刚度 ...

HyperWorks , 车身 , 结构胶 , 优化 , 应用

HyperWorks Application In Body Structural Adhesive Optimization

王宇飞
（陶氏化学（中国）投资有限公司汽车系统事业部上海 201203）

       摘要：结构胶连接在汽车制造中可以起到辅助车身增强的作用，可有效提高车身刚度、碰撞安全性以及耐疲劳性。本文以结构胶对某白车身的静态刚度提升为例，首先采用 HyperMesh 前处理器及 RADIOSS 求解器搭建了静态刚度计算模型，并利用 OptiStruct 的拓扑优化技术针对刚度工况对结构胶的位置进行优化，根据优化结果确定最优应用位置，从而为主机厂客户提供最优性价比的方案。
       关键词：车身刚度结构胶拓扑优化 HyperWorks

       Abstract: Structural adhesive, as a key joining technology in modern car body, can play a significant role in body enhancement including stiffness, crash safety, and fatigue resistance improvement. In this paper, structural adhesive is designed to improve the static body stiffness. HyperMesh pre-processor and RADIOSS solver are used to build a static stiffness finite element model and baseline result firstly. Then, OptiStruct is employed for topology optimization in order to find the most sensitive structural adhesive locations of stiffness improvement. Accordingly, the best cost-effective structural adhesive solution is provided to automotive OEMs.
       Key words: body stiffness, structural adhesives, topology optimization, HyperWorks

       1 概述

       车身结构胶诞生于二十世纪九十年代，由 BMW，Daimler 公司与陶氏化学公司合作开发，首先用在 Daimler 车身上，用于提升车身刚度、防撞性和耐久性。与单纯的点焊连接相比，结构胶连接或结构胶和点焊的混合连接可以提供更高的剪切和剥离强度。近年来，随着轻量化要求的不断提高，陶氏化学 BETAMATE?结构胶系列产品更是用来实现铝、镁合金等轻金属及复合材料与传统车身连接的重要途径^[1-7]。

       传统的车身连接翻边长度大约在 100 到 160 米之间，出于成本和性能之间的平衡，除部分高端车型采用全铝车身或复合材料车身采用结构胶作为连接手段外，传统的钢制车身，根据设计需要，其用胶量通常在 20 至 60 米之间，并且随着各汽车厂对结构胶连接优势及使用方法的理解和消化，其用量有逐年提升的趋势。本文以采用陶氏 BETAMATE?结构胶提升车身静刚度为例，叙述了如何采用 HyperWorks 软件^[8]进行结构胶设计，以最少的材料成本达到最优的性能提升。

       2 车身刚度的有限元模型及计算结果

       在前处理中，采用 HyperMesh 建立车身的静扭转刚度及静弯曲刚度的有限元模型。车身静刚度的计算方法有很多，这里采用较为常见的一种方法。其中，扭转刚度采用惯性释放法计算，在前后减震器支架处各加载反对称的力矩 M，如图 1(a)所示，其扭转刚度值的计算公式如下：

式中，M 为力矩，单位是 kN?m，α 为扭转角度，下标 F 和 R 分别表示前（Front）和后（Rear）， dZ 和 dY 分别为加载点沿 Z 方向和 Y 方向的位移，第二个下标 R 和 L 分别表示右（Right）和左（Left）。弯曲刚度计算时在左右两侧座椅横梁处各加载力 F，如图 1(b)所示，其弯曲刚度值的计算由下式给出：

式中，dZleft 和 dZright 分别为加载后车身左右门槛梁的挠度。

图 1 扭转刚度(a)和弯曲刚度(b)的计算模型

结构胶在车身中的采用 3D 实体单元，利用 HyperMesh 中的 2D-Connector 面板可以行之有效的在车身翻边中添加结构胶单元，结构胶单元在车身上的位置如图 2 所示，此处针对所有适合加胶的位置均建立了结构胶的有限元模型，长度约为 132m。

图 2 结构胶有限元模型

所有的计算均采用 RADIOSS 求解器，后处理软件为 HyperView，得出考察点的位移后依据上述公式得到静扭转刚度和静弯曲刚度，并根据不同工况进行对比。表 1 给出了带有结构胶的刚度结果与未加结构胶的刚度结果的比较。由表中可见，在车身翻边处采用结构胶连接后，其扭转刚度提升约 2.34 kN?m/deg，弯曲刚度也有 1.30 kN/mm 的提升。

3 结构胶拓扑优化及结果

由于车身车间工艺所限以及主机厂设计成本的约束，我们需要对结构胶的施工位置进行优化，以采用最少的结构胶达到最佳的效果。HyperWorks 的拓扑优化功能提供了很好的解决方案。优化分别针对扭转刚度和弯曲刚度进行，可在一个输入文件中设定不同的子分析步，并根据主机厂的设计要求对扭转刚度和弯曲刚度设定相应的权重。优化计算后，输入的 h3d 文件由 HyperView 后处理器读取，选取最后的迭代步，查看结构胶单元的单元密度，如图 3 所示。

图 3 针对扭转刚度(a)和弯曲刚度(b)优化后的单元密度云图

对于该车身而言，在前舱、C 立柱下接头及行李箱支架处涂结构胶对提升扭转刚度有帮助，在门槛梁、B 立柱、后纵梁及前后地板交接处加结构胶对提升弯曲刚度有帮助，铰链柱和后轮罩及后减震器支座处的结构胶对弯扭刚度都有贡献。图 4 给出了基于以上分析结果的涂胶建议图。表 2 同时给出了图 4 中的涂胶方案的车身刚度计算结果。此方案中，所有结构胶线长度总和约为 40m，相对总长度 132m，减少了约 70%的胶线长度，而刚度值下降幅度并不明显，仍将扭转刚度值控制在主机厂要求的 25 kN?m/deg 以上，达到了设计要求。

图 4 结构胶施工建议图

表 2 车身刚度优化结果

       4 结论

       (1) 陶氏结构胶产品可有效提高车身刚度，借此提升车辆的 NVH 性能及驾乘体验。

       (2) 借助 HyperWorks 的拓扑优化技术，可去除高达 70%的材料使用成本，以达到最佳的性价比，实现主机厂与供应商的之间的双赢。

       5 参考文献

       [1] Lutz, A, Symietz, D. Innovative structural adhesive approach for car manufacturing. In: Auto
Technology 3 (2003), No. 5, pp. 42–46.

       [2] Pfestorf M. Multi-material light weight design for the body in white of the new BMW7 series, International Conference “Innovative Developments for Lightweight Vehicle Structures”, Conference Proceedings, 26th-27th May, 2009, Wolfsburg, Germany.

       [3] Mlekusch B, Elsasser H, Audi – the new A6, EuroCarBody 2011,13th Global Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.

       [4] Cha S, Seo S, Chang I S, Hyundai – the new i40, EuroCarBody 2011,13th Global Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.

       [5] Symietz D, Lutz A. Structural Bonding in Automobile manufacturing: Properties, applications and performance of a new bonding technique, SV corporate media GmbH, 2007.

       [6] 王宇飞, 杨晓军, Mansour M. 结构胶工程模型在车身轻量化上的实践, 2011 中国汽车轻量化技术研讨会报告集，2011 年 9 月，重庆.

       [7] 杨晓军. 结构胶与汽车轻量化，2010 中国汽车轻量化技术研讨会报告集，2010 年 9 月，芜湖. [8] Altair HyperWorks 使用手册.

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