CAE在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵性焊縫研究中的應(yīng)用

 1、概述

 目前汽車(chē)的NVH性能越來(lái)越受到汽車(chē)廠商的重視，而轉(zhuǎn)向系的振動(dòng)與噪聲是駕駛員可以直接感知到的敏感因素，且近年來(lái)越來(lái)越受到消費(fèi)者的關(guān)注，是影響整車(chē)NVH水平的重要部分。

 模態(tài)分析是確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械零部件的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過(guò)程。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)是決定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)舒適性的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)目前已有車(chē)型的反饋數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因焊接質(zhì)量不合格和性能衰減的問(wèn)題導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)舒適性下降嚴(yán)重，本文通過(guò)Altair拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行焊縫優(yōu)化，找出關(guān)鍵焊縫，在實(shí)際焊接過(guò)程中控制關(guān)鍵焊縫的焊接質(zhì)量，以此達(dá)到控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能衰減的因素。

 2、有限元模型建立

 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，其整體剛度是轉(zhuǎn)向柱、安裝支架和儀表板橫梁集中體現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件之間主要通過(guò)焊縫和螺栓連接，所以焊縫的焊接質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響是至關(guān)重要的。為了縮減優(yōu)化計(jì)算量，本文僅在單獨(dú)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中進(jìn)行分析和優(yōu)化，具體如圖1所示。

圖1某車(chē)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

 （1）網(wǎng)格劃分

 模型板殼件采用四邊形單元模擬，實(shí)體采用六面體模擬，焊點(diǎn)由ACM單元模擬，焊縫采用CWELD單元，平均單元尺寸5cm╳5cm，模型單元總數(shù)71493個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)104678個(gè)。

 （2）邊界條件

 約束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車(chē)身連接安裝孔的六個(gè)方向自由度。

圖2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)邊界條件

 3、優(yōu)化分析

 本次優(yōu)化的目的在焊縫成本最低的前提下，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階垂向模態(tài)和一階橫向模態(tài)不低于初始設(shè)計(jì)值。

 （1）拓?fù)鋬?yōu)化原理

 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問(wèn)題。目前常用的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法有：變厚度法、變密度法及均勻化方法。變厚度法的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，但優(yōu)化對(duì)象受到很大的限制。變密度法是人為的建立一種材料密度與材料特性之間的關(guān)系，拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算以后得到單元的密度值為0或1，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)比較清晰。均勻化方法是最為流行的方法，拓?fù)鋬?yōu)化后單元的密度值是介于0～1之間的連續(xù)值，得到的是一種比較模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 變密度法用于一維單元的拓?fù)鋬?yōu)化，目前可以采用的單位為桿單元、梁?jiǎn)卧?、彈簧單元和焊接單元。一般?lái)說(shuō)，優(yōu)化的解會(huì)涉及到大量的中間密度的單元，這就需要用到罰函數(shù)來(lái)判斷單元的密度。通常用到的是基于單元彈性特征的能量法則，公式如下：

公式1基于單元彈性特征的能量法則

 （2）優(yōu)化分析結(jié)果處理

 通過(guò)以上優(yōu)化變量的設(shè)置提交OptiStruct計(jì)算，可以得出圖中焊縫的合理布置形式，圖中密度越大代表該處焊縫越重要，通過(guò)file-run-commandfile命令可以導(dǎo)入計(jì)算的結(jié)果文件.cmf，可以在HyperMesh中顯示出關(guān)鍵焊縫。

圖3拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

 （3）優(yōu)化驗(yàn)證分析

 根據(jù)焊縫拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，共識(shí)別6條敏感焊縫，具體如下圖4所示。結(jié)合工程化經(jīng)驗(yàn)對(duì)6條焊縫的焊接長(zhǎng)度及質(zhì)量重新進(jìn)行分布和控制，經(jīng)驗(yàn)證分析結(jié)果如下

圖4關(guān)鍵焊縫分布圖

表1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算結(jié)果

 通過(guò)上表分析結(jié)果可以看出，CCB上的關(guān)鍵焊縫的焊接質(zhì)量（包括焊接長(zhǎng)度和焊接位置）對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模態(tài)影響很大，如果在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵焊縫質(zhì)量控制不好將影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)至少2Hz，造成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一致性差導(dǎo)致NVH問(wèn)題產(chǎn)生。

 4、結(jié)論

 本文通過(guò)OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得了每條焊縫對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量，從貢獻(xiàn)量的排列密度選擇關(guān)鍵焊縫，并對(duì)焊縫的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，控制關(guān)鍵焊縫的焊接質(zhì)量可以有效控制設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一致性，并降低工人的操作難度。

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