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基于拓?fù)鋬?yōu)化的塑料尾門設(shè)計(jì)

2021-09-30 18:29:31·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
輕量化是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中永恒的話題，不僅傳統(tǒng)的燃油車要考慮燃油經(jīng)濟(jì)型，要考慮碳排放是否超標(biāo)，新能源汽車出于對續(xù)航里程的考慮也必須將輕量化做到極致。在這樣
輕量化是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中永恒的話題，不僅傳統(tǒng)的燃油車要考慮燃油經(jīng)濟(jì)型，要考慮碳排放是否超標(biāo)，新能源汽車出于對續(xù)航里程的考慮也必須將輕量化做到極致。在這樣的背景下，對汽車所用材料的研究就變得炙手可熱，鋁合金發(fā)蓋、碳纖維車身、塑料尾門等一系列的產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生了。從第一款自主品牌配置塑料尾門的車型--榮威E50電動(dòng)車2012年底上市，至2018上市的榮威Marvel X和2020年上市的榮威Marvel R等車型，塑料尾門的應(yīng)用越來越廣泛。


 
圖1 榮威E50（左）榮威Marvel X（右）的塑料尾門
 
01、塑料尾門的應(yīng)用

使用塑料尾門首先要考慮的就是是否滿足汽車安全性的要求。消費(fèi)者在認(rèn)知上可能會(huì)以為在追尾事故中尾門要像側(cè)門那樣承擔(dān)吸能和緩沖作用，以抵擋乘員艙的變形，事實(shí)上在尾撞中主要由后防撞梁和后縱梁吸收碰撞的能量，上車體E柱和尾門對尾撞的安全性影響甚微。因此，從安全性的角度出發(fā)，使用塑料尾門是可行的。

其次是塑料尾門的生產(chǎn)制造工藝。塑料尾門一般內(nèi)板、外板、擾流板采用PP+LGF、SMC、GMT等樹脂材料，而鉸鏈、鎖扣及其加強(qiáng)板等采用鈑金材料組成。內(nèi)外板和擾流板采用注塑工藝，鑲嵌鉸鏈、鎖扣等加強(qiáng)板一體成型?？梢詫⑩k金尾門150余個(gè)零件減少為70個(gè)左右，內(nèi)外板之間通過聚氨酯膠進(jìn)行粘接。目前塑料尾門的工藝已經(jīng)比較成熟，生產(chǎn)節(jié)拍甚至要優(yōu)于鈑金尾門。
圖2 金屬材質(zhì)和樹脂材質(zhì)零件對比
 
02、拓?fù)鋬?yōu)化的基本理論

如何設(shè)計(jì)一款符合工藝和性能等多種指標(biāo)的塑料尾門呢？拓?fù)鋬?yōu)化不失為一種高效的手段。拓?fù)鋬?yōu)化是在指定的優(yōu)化空間內(nèi)，考慮性能、工藝等多種約束和性能指標(biāo)，對材料分布進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，特別適用于鑄件類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化基于SIMP（Solid Isotropic Material with Punishment）理論，即基于帶懲罰的實(shí)體各向同性材料理論，引入一種假想密度為０～１的材料，用來表示材料的有無，假定材料的宏觀彈性常量和密度成非線性關(guān)系，優(yōu)化過程中以單元密度決定單元的去留，采用懲罰因子約束抑制介于０～１之間的單元，通過設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)對構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。
對于單目標(biāo)優(yōu)化問題，常用的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型為：
  1. 約束全局或局部的質(zhì)量或體積，以柔度最小作為目標(biāo)（剛度的逆為柔度，一般將剛度最大問題轉(zhuǎn)化為柔度最小問題）；
  2. 約束變形量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)最小作為目標(biāo)；
  3. 約束質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)，以模態(tài)頻率最大作為目標(biāo)；
  4. 約束模態(tài)頻率，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)最小作為目標(biāo)；
其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指優(yōu)化后的質(zhì)量與拓?fù)淇臻g的質(zhì)量比值，體積分?jǐn)?shù)是指優(yōu)化后的體積與整個(gè)拓?fù)淇臻g的體積比值。
對于多目標(biāo)優(yōu)化問題，可以通過將次要目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解；也可以使用線性加權(quán)法根據(jù)目標(biāo)的重要程度乘以權(quán)重系數(shù)然后相加，得到一個(gè)組合的目標(biāo)，或者采用折衷優(yōu)化法把多個(gè)子目標(biāo)合成一個(gè)單目標(biāo)，對子目標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，然后根據(jù)設(shè)計(jì)需要給每個(gè)子目標(biāo)加上權(quán)重。對于一般的問題可直接將目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，本文也主要采取這種方法。

03、如何使用Optistruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化

針對塑料尾門的拓?fù)鋬?yōu)化問題，首先要梳理約束和目標(biāo)，由于Optistruct對線性優(yōu)化問題的支持比較成熟，因此一般選用線性的工況或?qū)⒎蔷€性的工況合理簡化為線性工況，本文中選用一階自由模態(tài)、扭轉(zhuǎn)和彎曲三個(gè)工況作為優(yōu)化的目標(biāo)。
設(shè)計(jì)變量（DesignVariables）：拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間根據(jù)外造型和內(nèi)部密封面等的限制來包絡(luò)一個(gè)封閉的空間，并用實(shí)體網(wǎng)格填充，將該材料的屬性設(shè)置為拓?fù)鋬?yōu)化的空間后，會(huì)使用SIMP的方法中引入的假想材料密度進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到尾門設(shè)計(jì)一般是對稱的結(jié)構(gòu)，因此需在設(shè)計(jì)變量中加入對稱的約束（PATRN）；此外，可以通過設(shè)置最小成員尺寸（MINDIM）約束優(yōu)化結(jié)果中密度為1的區(qū)域所允許的最小尺寸，從而消除細(xì)小的路徑，設(shè)置最大成員尺寸（MAXDIM）約束優(yōu)化結(jié)果中密度為1的區(qū)域不能全大于的最大尺寸，從而避免材料的過度堆積；根據(jù)需要，可以選擇拔模參數(shù)（DRAW）設(shè)置單個(gè)模具或兩個(gè)模具及其拔模方向和角度，從而得到更加真實(shí)可行的優(yōu)化解，塑料尾門是注塑的工藝，根據(jù)生產(chǎn)的工藝需求設(shè)置合理的拔模深度、拔模角度和分型面。






圖3 實(shí)體填充的優(yōu)化空間
約束（OptimizationConstraints）：將多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束，約束一階模態(tài)大于性能目標(biāo)值，扭轉(zhuǎn)工況下的監(jiān)測點(diǎn)變形量小于目標(biāo)值，彎曲工況下的監(jiān)測點(diǎn)變形量小于目標(biāo)值。
目標(biāo)（Objectives）：目標(biāo)為體積分?jǐn)?shù)最小。

04、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及解讀

通過合理設(shè)置約束，得到最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖所示：




圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，結(jié)合以往車型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及設(shè)計(jì)變量中無法體現(xiàn)的邊界約束如電機(jī)和線束的布置空間等，可以對拓?fù)涞慕Y(jié)果進(jìn)行如下的解讀：
解讀一：“業(yè)”字型

圖5 “業(yè)”字型解讀
解讀二：雙“X”型
圖6 雙“X”型解讀
解讀三：W型
圖7 W型解讀
 
對解讀出來的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并綜合考慮質(zhì)量、模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度等，雙X型綜合指標(biāo)最優(yōu)，結(jié)合對標(biāo)車型如Range Rover Evoque，可見雙X型結(jié)構(gòu)的可行性最高。

圖8 RangeRover Evoque內(nèi)板拓?fù)鋵?biāo)（圖片來源于A2Mac1，侵權(quán)刪）
 
05、結(jié)語

塑料尾門的應(yīng)用不僅能做到輕量化，還有生產(chǎn)效率高，造型美觀且設(shè)計(jì)的自由度高等特點(diǎn)，滿足尾門使用過程中頻繁開啟的需求，能做到實(shí)用和美觀并重。雖然目前塑料尾門的成本還比較高，但隨著材料和工藝的進(jìn)一步發(fā)展以及越來越廣泛的應(yīng)用，相信在更加成熟的配套體系下還能進(jìn)一步挖掘以塑代鋼的潛力。

拓?fù)鋬?yōu)化對于早期概念設(shè)計(jì)階段有很大的指導(dǎo)意義，能在給定的設(shè)計(jì)約束下得到初版的拓?fù)渎窂?，提升設(shè)計(jì)效率。但是目前受制于實(shí)體網(wǎng)格精度，以及拓?fù)鋬?yōu)化方法的局限性，得到的路徑不夠直觀，無法直接輸出可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，因此依賴于工程師的解讀。拓?fù)渎窂降慕庾x時(shí)還需加入未能考慮到的約束，根據(jù)以往參考車型來進(jìn)行，從而可以使初版結(jié)構(gòu)的性能更可靠。隨著拓?fù)鋬?yōu)化方法的進(jìn)一步發(fā)展，如薄板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋自適應(yīng)成長設(shè)計(jì)法等方法的誕生，拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)發(fā)揮出越來越重要的作用。
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