OptiStruct在SUV背门结构优化中的应用

郭敬文

摘 要：背门是SUV车型的重要组成部件，其刚度直接影响着车辆的安全性、舒适性、密封性等。为提高某型SUV的背门刚度，使用OptiStruct对其进行了形貌优化，经验证，背门的各项刚度性能均有效提升。

关键词：OptiStruct; 背门;形貌优化

1 概述

车门是汽车车身设计中十分重要而又相对独立的部件，主要用于缓冲来自外部的冲击，隔绝车外噪声等，以保证车辆的安全性、舒适性、密封性等。背门作为SUV车门系统中较大的开闭件，其刚度的大小对整车性能有较大影响。

由于背门刚度不足而导致的问题如下：

（1）背门在关闭状态、按设计角度开启最大状态以及由于误操作导致过开的情况下，如果弯曲刚度低会造成后背门变形较大，密封不严，影响车辆外观品质和使用效果。

（2）由于背门尺寸及重量较大，因此需具备一定的下垂刚度，否则会导致背门出现下垂变形而无法正常关闭。

（3）由于背门安装有门锁等部件，如果安装点的刚度较低，较易出现局部变形，从而会影响门锁的安装和使用，也会影响背门的整体刚度。

以上所述刚度，即关闭弯曲刚度、开启弯曲刚度、下垂刚度、锁安装点刚度，与背门内板的结构息息相关，为使某型SUV背门刚度满足要求，需对其背门内板进行结构优化。

2 形貌优化简介

形貌优化是OptiStruct的主要结构优化功能，它广泛应用于提高各种冲压板件的性能，如减少变形、提高刚度、提高模态频率等。在形貌设计中，设计空间由大量的节点波动向量组成，这些节点波动向量按照一定的模式进行组合以满足设计约束，并最终生成优化后的最佳形貌。

在进行SUV背门内板的结构优化时，OptiStruct的形貌优化不删除材料，而是在设计区域中根据节点的扰动生成强肋。形貌优化的变量不是单元密度，而是形状参数，它的设计区域首先被划分为大量独立的变量，然后进行一系列的迭代优化，并计算这些变量对结构的影响，直至结果收敛。

3 背门优化实例

3.1 形貌优化流程

在HyperMesh中导入某型SUV的背门内板数模，按照图1所示流程，进行有限元模型搭建、形貌优化参数设置、结果输出和评价。

3.2 形貌优化设置

背门内板有限元模型如图2所示，为找出影响背门刚度的关键因素和方法，对其进行形貌优化，各项主要参数设置有以下方面：

（1）约束：约束背门内板铰链安装点的所有自由度。

（2）加载：在背门内板锁安装点加载集中力。

（3）设计变量：除安装面、密封面外的所有内板区域作为优化区域。

（4）响应：锁安装点的Z向位移作为响应输出。

（5）目标函数：使锁安装点的Z向位移绝对值最小。

3.3 形貌优化结果对比

按照图3形貌优化结果云图所示区域，并考虑背门内板的结构布置、冲压性能等因素，在如图4所示背门内板下部，修改数模。通过在背门内板左下角和右下角起筋，如图5所示，改善背门的性能。经再次分析验证，背门的关闭弯曲刚度、开启弯曲刚度、下垂刚度、锁安装点刚度，均得到了有效提升。

4 总结

OptiStruct的形貌优化功能可广泛应用在汽车鋼板冲压而成的结构件和覆盖件上，如发动机罩内板、前后门内板、副车架上下板、各种支架等零件的结构优化。在进行形貌优化的参数设置时，需结合零件的性能要求、周边件的布置要求、冲压成形的技术要求等，以使形貌优化最大化地应用在实际的零件设计中，从而提高工程师的作业效率和零件的设计品质。

参考文献：

[1]Altair HyperMesh Reference Guide.

[2]洪清泉，赵康，张攀，等.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京机械工业出版社，2012，106.