商用车驾驶室白车身焊点缩减拓扑优化研究
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摘 要：商用车的驾驶室白车身建立了以固有频率为约束的体系，以焊点提及最小化作为目标，并且也是最優势化的模式，根据灵敏度进行分析，并且能够得到每个单元对于结构性能的贡献，以此来分析当下有限单元的剔除和保留。尤其在通过拓扑优化之后，能够让驾驶室白车自身的焊点数量有明显减少，并在满足当下设计的需要的情况下，焊点重新分布。对优化前后进行仿真分析的结果表明，文中的设计模型和分析方法都是有效合理的。
关键词：商用车驾驶室；焊点；有限元分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.023
0 引言
驾驶室是商用车最重要的核心部件之一，司机以及乘客在乘坐商用车时的舒适度则和驾驶室好坏有着极大的关系，以及驾驶室的居住性。商用车的驾驶室并不是承载式的车身，对于驾驶室有着高强度的要求却极其容易满足，但是为了保证驾驶室所具有的一些特征，就要在设计驾驶室时，还要掌控驾驶室的频率，以及各种模式的特定需求。焊装结构的驾驶室白车身其中的各个部分的零件，都是通过焊接结合在一起的，焊接数量直接影响驾驶室白车身的刚度和强度。同时焊点数量直接影响白车身的焊接时间和成本。
1 结构频率的敏感度和优化的流程
能够辨识最佳位置的结构，就需要经过细致的分析，最重要的就是驾驶室的动力问题，相对来说，灵敏度的分析是比较复杂的。在有限元当中的分析，结构动特征值的问题为（[K]-ω2j[M]）{φj}={0}（1），其中[K]为总刚度矩阵；[M]为总质量矩阵；ωj为第j阶固有频率；{φj}为对应于ωj的特征矢量。固有频率ωj及其相应的特征矢量。固有频率ωj及其相应的特征矢量{φj}通过瑞利商相互关联[5-6]ω2j=kj/mj（2），其中模态刚度kj和模态质量mj定义，kj={φj}T[K]{φj}mj={φj}T[M]，mj={φj}T[M]{φj}。如要假设从当前的这个结构当中删除了i个单元，同时由于删除的该单元已经引起了频率的变化量了，从公式（2）中导得Δ（ω2j）=Δkjmj-kjΔmjm2j=1mj（Δkj-ω2Δmj）（3）。从灵敏度删除的第I个单元格，所引发的频率上的一个变化，还要在根据各个单元格对于结构以及性能的贡献度进行单元格的删除，在假如，结构的初始化的材料已经是100%了，进行灵敏度的，这也是第一步要做的，然后在根据灵敏度的到底从而进行单元格的删除，不断持续这个过程，直到能够满足约束条件停止。
2 有限元模型的建立
经过钢板和型钢经过焊接的形式多形成的白车身的驾驶室，在建立模式实体的时候，只要即那里薄板的实体，这样就导致实体单元格中的有限划分会很难实行，这种结构只是适用于建立结构的模型以及板梁结构模型。车身的主要结构部分就是前围、后围以及地板还有侧围，都是薄板冲压形成的，利用四边形以及三角形壳的单元对白车模型进行有限元网格划分，在划分之后要进行相应单元格的检测，不断的重复节点和重复单元检查，最终成为商用车驾驶室白车身的有限元模型。但是车身之间的零件都是通过焊接的方式所组成的，是否能够有效的模拟焊点成为能否保证所分析的正确与否的关键之一。ACM是一种焊接的特殊方式，不同于刚性单元结合的方法，更加准确的说它是由一个六面体以及单元格的组成部分，能够比目前情况还要准确的模拟焊点信息，与此同时，还要注意的是不应该增加局部的刚度。
3 拓扑优化模式的建立以及分析
在优化过程中，材料密度是在（01）的区域之间分布的，这些关键点所集中的材料才是具有灵魂的，没有材料聚集的地方则是空洞的，所以才能够找到新的托普形式，但是由于有的单元格当中没有材料，所以其对应的刚度矩阵就是0，发生这样的情况容易造成刚度和奇异数量的总和很难求的答案。在计算的过程中删除的一些单元格容易发生在横型模式下进行优化的时候容易造成很多变化的发生，而且删除之后的单元格想要参加计算也是非常困难的。所以为了解决这样的问题，还能确保在计算当中被删除的单元可以再次加入，就要引入一个很小的下线，这样就可以避免这样的问题再次发生，同样经过确定没有材料的就是空洞，在之后的分析过程当中，对所做的下线进行结构上的分析。在建立有限元的模式当中，相对应的目标设计以及条件还有其中最重要的就是变量的设计，最终采用Optistruct进行有序的迭代，经过无数次的分子，最后得到焊点空间的优化，同时相对应的结构也成为变化历程当中的关系，经过不断的实验与分析，不难发现整个迭代过程在向优化的目标进行收敛，同时伴随的情况是随着迭代步数的不断增加而进行减小的活动。采用OSSmooth工具，能够将优化设计放到设计空间相对应的单元格当中，同时能够得到最优化的拓扑结构。与此同时，在截取白车身前围的一个部分，然后经过与之前的对比可以发现，焊点数量比优化之前有缩减了很多，而且优化之后的焊点数目分布也更加合理。
4 驾驶室刚度计算与验证
根据相关文献的分析和研究，在条件已经满足刚度准则的时候来确定结构，同时其中的刚度也是可以充分满足的。弯曲变形等形式都能够造成驾驶室骨架结构的变形，最为常见的就是驾驶室骨架开口变形，所以对于驾驶室骨架结构的刚度是有要求的。地板经过优化之后产生的变形还是比较大的，但是变大的地方正好能够承载模拟集中之后的作用处，同时由于扭转优化时进行刚度的分析，发现优化之后的刚度的扭角有了很大的增加，而且刚度也在不断下降的。
5 结语
建立商用车白车驾驶室的模型，根据目标优化采用的ACM的建模单元，通过单元格焊接的方式假设空间进行拓扑优化过之后，在进行对应的灵敏度的分析，根据相应的结构以及贡献度删除，进一步的建立驾驶室白车身的拓扑优化的模型。在白车驾驶室的满足条件之下，震动频率和白车驾驶室的基础之下，能够达到基本的标准，能够使驾驶室的焊点数量减少，同时在该情况下，能够达到有效的改善驾驶室的焊点分布的目的。
参考文献：
[1]王登峰，张斌，陈静，刘伟，孙兆福，吴永刚.商用车驾驶室白车身焊点缩减拓扑优化研究[J].汽车工程，2009，31（04）：326-330.
[2]许冰，胡强，涂小春，胡朝辉.白车身焊点缩减拓扑优化对车身性能研究[J].企业科技与发展，2013（13）：84-86.
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