1 引言
近年來，資源問題、環境問題日益突出，而汽車作為與這些問題息息相關的因素之一，節能微排就成了汽車工業義不容辭的責任。因此，汽車輕量化已經成為汽車技術發展中一個非常活躍的研究課題。目前實現汽車輕量化的主要途徑有優化汽車結構、采用新工藝和使用輕質材料。其中優化汽車的結構是技術最成熟、應用最廣泛、效果最明顯的途徑。本文在已知車門仿真性能的基礎上對車門結構完成了拓撲優化，并對車門各零件進行厚度優化，從而得到了最終的輕量化方案。最后仿真對比分析了原車門和新車門的剛度性能和模態性能，結果證明了此輕量化方案的可行性。
2 車門的輕量化
2.1 剛度及模態目標的初步確定
表1列出了車門的七個初始剛度的性能均符合某公司的標準，但各剛度極度不平衡，可能會導致局部變形過大的問題。剛度目標的確定，就是要協調各剛度值，在保證車門性能基本不變的情況下，適當減弱剛度較好的剛度值，提高較差的剛度值，使得車門整體結構均勻、平衡。
相比其他車型的車門，下垂剛度處于中等水平，因此目標與初始狀態保持一致。而上扭剛度明顯較好，離標準有充裕的盈余，因此可以適當減弱；而下扭剛度則相對較差，需要提高。窗框中部剛度剛好滿足要求，有待提高，而角部工況可以適當減弱；外板帶線剛度也處于中等水平，目標與初始狀態保持一致，而內板帶線剛度則太好，有較大的減弱空間。
車門模態中最重要的是整體彎曲和整體扭轉模態，這兩階模態代表了車門整體抗彎抗扭的能力。本文也只取這兩階模態作為約束。但考慮到減重可能會降低模態的頻率值，因此目標定在初始值水平。表1 列出了各剛度值和模態值的初步目標值。
表1 車門各性能及目標值
2.2 建立拓撲優化模型
在不改變車門原結構的基礎上進行拓撲優化設計。原則是在保證剛度、模態基本不變的前提下，計算得出對車門性能貢獻較小的零件。
一般情況下，車門的鉸鏈是固定的，不考慮優化；車門外板厚度因需滿足抗凹等要求，也不考慮優化；外板防撞板因側碰要求也不考慮優化；車門功能件如玻璃導槽、升降器安裝板及其連接件等也不參與優化。因此設定拓撲優化空間為圖1和表2所示各零件。設定優化單元類型為殼單元。
圖1 參與拓撲優化的零件圖
表2 可以優化的零件
系統響應的設定。本模型的響應有10個，其中剛度7個工況對應7個靜態位移的響應，2個模態對應的頻率響應，最后為車門總質量響應。
優化約束的設定。本模型共設置了9個約束，其中7個剛度工況約束，2個模態頻率約束。需注意的是：為保證比較明顯的優化效果，約束值的設定應大于分析得出的最大位移量，各約束的值如表3所示。
表3 拓撲優化約束值
優化目標的設定。拓撲優化的目的是對車門進行輕量化設計，因此本模型的優化目標設定為車門總質量最小。
在HyperMesh里完成拓撲優化模型的前處理后，將模型遞交Optistruct求解器進行優化計算。
2.3 拓撲優化結果
用HyperView察看拓撲優化的密度分布圖。下列均隱藏了不參與優化的零件。
從圖2可以看出，內板上密度分布相對較均勻，且密度分布基本在0.5以上，密度在0.2以下的區域不多，減重空間不大。
圖2 優化后內側圖
從圖3則可以看出，區域1和區域2的密度較低，兩個區域的密度分布大多在0.25以下，是可以挖孔或者減薄的地方。其中內板中部內加強板整塊板上的密度分布都較少，僅有少量區域密度分布較多(如圖4所示)，因此，此零件是輕量化重點零件，可以嘗試取消此零件，或者進行大范圍挖孔。鉸鏈加強板的密度分布如圖5所示，下鉸鏈安裝板密度分布如圖6所示，根據云圖，可以適當減小這兩個零件的尺寸或者厚度。
圖3 優化后外側圖
圖4 內板中部內加強板拓撲優化密度云圖
圖5 鉸鏈加強板拓撲優化密度云圖
圖6 下鉸鏈安裝板拓撲優化密度云圖
從拓撲優化結果來看，具有大的減重空間的零件為門把手加強板、外板加強板、內板中部內加強板、鉸鏈加強板和下鉸鏈安裝板。實際上，門把手加強板是加強門把手處的局部剛度，不可取消，只可進行厚度優化。鉸鏈加強辦、外板加強板、下鉸鏈安裝板也不具備取消的條件，只可厚度優化。內板中部內加強板具備取消的條件，并且此零件無其他特殊功能，因此是整體取消的潛在零件。
2.4 輕量化的具體方案
從拓撲優化的結果來看，內板中部內加強板是重點減重零件。輕量化方案即是將內板中部內加強板取消，適當修改內板中部外加強板的結構，然后對剩余其它車門零件進行厚度優化，使得車門性能滿足已定的目標值。
第一步即取消零件內板中部內加強板。此零件初始厚度為1.75mm，質量為2.142kg。
第二步修改內板中部外加強板結構，車門初始狀態內板帶線處結構外視圖如圖7所示，截面圖如圖8所示。從圖中可以看出，內板中部內加強板上沿與內板上沿平齊，使得內板帶線剛度加載位置處有兩塊板支撐。取消內板中部內加強板后，帶線處加載位置就只有內板起支撐作用，如此必將導致變形迅速增大。為避免這種情況發生，必須將內板中部外加強板上沿升高，使得其上沿也與內板上沿平齊，如此加載位置處仍有兩塊零件支撐。
圖7 初始狀態內板帶線處外視圖
圖8 初始狀態內板帶線處截面圖
修改結構之后內板帶線處結構外視圖(即從車門外板向車門內板方向看)如圖9所示，內板帶線處只剩兩塊鈑金，即內板和內板中部外加強板圖。截面圖如圖10所示。
圖9 修改結構后內板帶線處外視圖
圖10 修改結構后內板帶線處截面圖
2.5 修改結構后的厚度優化
經過拓撲優化取消內板中部內加強板后，車門性能可能發生了變化，因此需要對車門系統剩下的零件進行厚度優化，保證車門性能不降低。厚度優化也采用Optistruct軟件。
(1)設計變量
厚度優化的設計變量少了零件內板中部內加強板，表4中列出了參與厚度優化的零件名稱和初始厚度。
厚度優化總共選取了12個零件作為設計變量，每個設計變量的初始值為各板件的初始厚度，各板件厚度下限均設為0.5mm，上限均設為3.5mm。
表4 參與厚度優化的零件
(2)約束條件
為了保證車門性能達到已定的目標值，厚度優化的約束條件不能超過目標值。本次厚度優化中，7個剛度工況的約束條件設為位移不大于目標值，兩個頻率的約束條件設為不小于目標值，如表5所示。
表5 厚度優化的約束條件
(3)目標函數
本次厚度優化的最終目的是對車門進行輕量化設計，因此目標函數設定為使車門質量最小。
(4)優化結果
經過Optistruct優化計算后可以得到參與厚度優化的零件的最優厚度。實際上零件厚度一般只能精確到小數點后兩位，因此必須對軟件厚度優化的輸出結構進行工程修正，最終結果如表6。
車門初始狀態質量為24.17kg，優化后的最終結果車門質量為22.34kg。減重1.83 kg，或減重7.57%。
表6 厚度優化的最終結果
3 輕量化方案的對比驗證
3.1 剛度驗證
將修正后的厚度賦予對應的零件，重新計算修正過后的模型的剛度。結果如表7：
表7 剛度驗證結果
從表7中可以看出，除內板帶線剛度降低外其余剛度均比初始狀態有所提高。內板帶線剛度性能雖有較大降低，但由于車門初始的內板帶線剛度性能很高，有非常大的富余，且該方案的內板帶線剛度未超過目標值，仍具有減重空間。優化后相對車門初始狀態減重1.83kg，減重比達到7.57%，綜合整體性能來看，減重效果比較明顯。
3.2 模態驗證
將修正后的厚度賦予對應的零件，重新計算修正過后的模型的模態。結果如表8所示：
表8 模態驗證結果
從表8可以看出，整體彎曲模態頻率比初始狀態有所提高，整體扭轉模態頻率比初始狀態稍有下降。
4 結論
本文在已知某車門仿真性能的基礎上（包括剛度性能和模態性能）借助OptiStruct對車門進行了拓撲優化，對拓撲優化的結果進行進一步的分析得到了輕量化的初始方案：取消內板中部內加強板，修改內板中部外加強板結構，很多零件的厚度可以減薄。然后對剩余零件用依然Optistruct進行厚度優化，從而得到了輕量化的最終方案。
為了評價輕量化方案是否可行，本文最后用有限元方法模擬分析了車門輕量化后的方案，并與初始性能進行對比，對比結果顯示在質量減少了7.57%的情況下，剛度和模態性能均有不同程度的提高。從而可以得出結論：此輕量化方案可行。
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本文標題：基于拓撲優化的某微型車車門輕量化研究
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