曾維和 張德彬 吳強 茍黎剛 管迪

摘 要：文章基于NASTRAN對某SUV車型后門鎖扣動剛度進(jìn)行仿真分析，根據(jù)動剛度仿真結(jié)果對原有方案提出了兩種輕量化構(gòu)思方案，然后對輕量化方案的動剛度進(jìn)行驗證比較，優(yōu)選出綜合性能更優(yōu)越的輕量化方案;最后對優(yōu)選的輕量化方案進(jìn)行ODS仿真分析，根據(jù)ODS分析結(jié)果對鎖扣安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，既提升了動剛度性能又實現(xiàn)減重降本的目標(biāo)。研究結(jié)果表明：與初始方案比，優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)單側(cè)減重0.65kg，輕量化比例高達(dá)33.2%，輕量化降本效果顯著。優(yōu)化方案后門鎖扣X/Y/Z向動剛度均有不同程度增加，動剛度水平提升至與初始方案基本相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：后門鎖扣;動剛度;ODS法仿真;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-54-04

Dynamic Stiffness Optimization of Rear Door Latch Striker?Basedon Simulation of ODS

Zeng Weihe， Zhang Debin， Wu Qiang， Gou Ligang， Guan Di

（?Geely Automobile Research Institute Ningbo Co. Ltd，?Zhejiang Ningbo 315336?）

Abstract：?Rear door latch striker dynamic stiffness of one vehicle was simulated by NASTRAN. Based on dynamic stiffness result of base design， two lightweight design was proposed. And then chosen lightweight design proposal with better overall performance by verifying and comparing dynamic stiffness result of two lightweight design solutions. Lastly ODS simulation of chosen lightweight design proposal was applied. And rear door latch striker mounting structure design was optimized according to ODS analysis result. Optimized design improved latch striker dynamic stiffness performance and also achieved the goal of reducing weight and cost. Investigation result indicate that： Optimized latch striker mounting structure can achieve 0.65kg weight loss on one side， it reaches 30% weight loss and has significant effect on lightweight cost reduction. Latch striker dynamic stiffness in X/Y/Z direction of optimized mounting structure increased in varying degrees， and its dynamic stiffness level was promoted to be comparable to the initial design.

Keywords： Rear door latch striker;?dynamic stiffness; ODS method simulation;?Structure optimization

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-54-04

引言

汽車關(guān)門聲品質(zhì)（Door Closing Sound Quality，簡稱DCSQ）是評價整車NVH性能的一項重要指標(biāo)^[1-2]，關(guān)門聲品質(zhì)直接影響客戶對整車品質(zhì)的感受。隨著消費者對汽車品質(zhì)的日益增高，國內(nèi)外汽車廠商的工程師們和研究學(xué)者在汽車關(guān)門聲品質(zhì)的主要影響因素^[1]、評價方法^[2-3]及如何提升關(guān)門聲品質(zhì)^[4-6]等方面做了大量研究。

福特汽車的A. Petniunas^[7]等人研究表明對關(guān)門聲尖銳度貢獻(xiàn)最大的因素是門鎖/鎖扣之間相互作用，車門鎖扣安裝區(qū)域若剛度不足，在用力關(guān)門時門鎖與鎖扣撞擊接觸激勵結(jié)構(gòu)非線性振動會放大關(guān)門聲尖銳度的峰值水平，造成關(guān)門聲品質(zhì)衰減，影響客戶選車時對整車品質(zhì)的第一印象。藺磊等人通過實車測試和主客觀評價方法研究發(fā)現(xiàn)，提升后門鎖扣和后側(cè)圍區(qū)域動剛度能提高后車門關(guān)門聲品質(zhì)水平^[8]。因此開展鎖扣動剛度仿真優(yōu)化工作具有一定的工程實際意義。

本文中以某SUV車型為研究對象，根據(jù)基礎(chǔ)方案的動剛度仿真結(jié)果，提出輕量化構(gòu)思方案，并結(jié)合ODS仿真技術(shù)，對輕量化方案進(jìn)行虛擬驗證和優(yōu)化，將后門鎖扣動剛度提升到更高的水平，并達(dá)到輕量化降本設(shè)計的目標(biāo)。

1 仿真模型與方法介紹

1.1?動剛度仿真建模

基于ANSA建立白車身模型，鎖扣動剛度仿真計算模型選用某SUV車型白車身模型，車身模型如圖1（a）。車身建模網(wǎng)格尺寸5.4mm，車身零件間焊點，焊縫，膠粘，螺栓等連接信息應(yīng)包含在仿真模型中。為計算鎖扣局部動剛度，在鎖扣處建立局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系Z向沿鎖扣撞針軸向，Y向與全局Y向一致，建立的鎖扣局部坐標(biāo)系如圖1（b）。

使用NASTRAN SOL111求解器進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)分析，求解頻率范圍設(shè)置為10～500Hz，頻率步長1Hz，結(jié)構(gòu)阻尼常數(shù)設(shè)置為0.08。求解時白車身模型處于自由態(tài)，不施加任何約束。

輸出后門鎖扣響應(yīng)點位移隨頻率響應(yīng)曲線，求解完成后在META中進(jìn)行后處理，得到左右側(cè)后門鎖扣動剛度隨頻率的響應(yīng)曲線。

1.2?ODS仿真

工作變形分析（Operational Deflection Shape，簡稱ODS）可求解到結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)下的總變形響應(yīng)，ODS法仿真能得到特定工作頻率下結(jié)構(gòu)振型，這種振型形狀是結(jié)構(gòu)激起來的各階模態(tài)振型線性疊加的結(jié)果^[9-10]。根據(jù)1.1中求得的后門鎖扣剛度隨頻率響應(yīng)曲線，找到剛度在求解頻率范圍內(nèi)最小值所在的頻率，然后基于NASTRAN SOL111進(jìn)行ODS仿真，求解得到指定頻率下的車身結(jié)構(gòu)振型和應(yīng)變能分布，幫助快速識別結(jié)構(gòu)薄弱位置，指導(dǎo)有的放矢地進(jìn)行后門鎖扣安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升其動剛度性能。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 動剛度仿真分析及結(jié)果比較

某SUV車型后門鎖扣區(qū)域初始設(shè)計方案如圖2（a）所示，鎖扣安裝結(jié)構(gòu)由鎖扣加強板、C柱外加強板、加強板支撐腿組成，鎖扣加強板一側(cè)支撐于C柱內(nèi)板，另一側(cè)由C柱加強板支撐，加強板左下角設(shè)計有加強板支撐腿與輪包連接，鎖扣安裝結(jié)構(gòu)重量共1.96kg。對初始方案進(jìn)行動剛度仿真得到后門鎖扣動剛度響應(yīng)曲線（如圖3所示），根據(jù)動剛度曲線可得到固定頻率范圍內(nèi)動剛度最低值（統(tǒng)計結(jié)果見表1）。動剛度結(jié)果顯示：初始鎖扣固定結(jié)構(gòu)剛度性能較好，左側(cè)鎖扣X，Y，Z向最低動剛度分別為7.37kN/mm，1.21kN/mm，3.90kN/?mm;右側(cè)鎖扣動剛度與左側(cè)基本相當(dāng)，分別為7.91kN/mm，1.13kN/mm，2.68kN/mm;與X，Z動剛度比，Y向動剛度值相對較低，研發(fā)早期應(yīng)特別關(guān)注Y向剛度。這種設(shè)計方案雖剛度較好，但重量較大，形狀復(fù)雜，模具成本高，安裝操作性差，經(jīng)濟性不佳。

為達(dá)到輕量化降本的目的，對鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化設(shè)計，提出兩種輕量化思路，輕量化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)示意見圖2（b）（c）。方案一：將C柱外加強板取消，鎖扣加強板分4個支腿，一側(cè)支撐于輪包，另3個支腿與C柱焊接，單獨設(shè)計L型支架連接鎖扣加強板與C柱;設(shè)計完成的安裝結(jié)構(gòu)見圖2（b），重量1.20kg，可減重0.76kg。方案二：在方案一基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)，為減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量，節(jié)省開模成本，將L型支架與鎖扣加強板合并，結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示，重量1.15kg，重量減輕0.81kg。分析輕量化設(shè)計后結(jié)構(gòu)的動剛度曲線（圖2）可清晰看到：減重后鎖扣X/Y/Z向動剛度均出現(xiàn)不同程度降低。比較方案一，方案二的動剛度最低值（表1）可知：L型加強件與鎖扣加強板合并設(shè)計后，各方向剛度值均有所降低，方案二在方案一基礎(chǔ)上取消L型支撐件，僅減重0.05kg，但Y向鎖扣最小動剛度由0.94kN/mm下降至0.78kN/mm，下降幅度達(dá)17%，可見L型加強板在增強鎖扣Y向剛度作用特別關(guān)鍵。

2.2 ODS仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

比較2.1中的輕量化方案一和方案二的動剛度結(jié)果容易發(fā)現(xiàn)，方案一X/Y/Z向動剛度均優(yōu)于方案二，兩種輕量化結(jié)構(gòu)的重量基本相當(dāng)，因此優(yōu)選出方案一作為優(yōu)化對象，在方案一基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，將其結(jié)構(gòu)動剛度提升至更高的水平。

用力關(guān)車門時一部分未被車門密封條和緩沖塊吸收的能量將引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線性振動，鎖扣剛度不足未吸收的能量不能在關(guān)閉瞬間全部耗散，剩余的高頻能量脈沖會激勵車門結(jié)構(gòu)振蕩，若車門剛體運動振蕩速率與車門柔性模態(tài)同步，會放大關(guān)門聲尖銳度和響度，導(dǎo)致關(guān)門聲品質(zhì)降級;工程實踐中一般將后門鎖扣動剛度控制在1.0kN/mm以上。表1中統(tǒng)計結(jié)果顯示，在頻率為175Hz時，方案一Y向動剛度最小值僅0.94kN/mm，剛度水平較低，為獲得更優(yōu)秀的的關(guān)門聲品質(zhì)表現(xiàn)，需提高此工作頻率下的Y向動剛度值。ODS法仿真得到該頻率下的振型，可快速找準(zhǔn)優(yōu)化方向，更高效地提出解決方案;頻率175Hz時鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)的振型動畫和應(yīng)變能分布如圖4所示，由圖清晰看到，該頻率下結(jié)構(gòu)振型呈Y向彎曲，這與Y向剛度水平較低相對應(yīng);應(yīng)變能分布情況顯示應(yīng)變能水平較高的位置集中在L型加強支架折彎處（圖中紅色區(qū)域），采取優(yōu)化措施調(diào)整應(yīng)變能集中區(qū)域分布情況，降低該區(qū)域應(yīng)變能水平可有效提高Y向動剛度。

按照初始設(shè)計結(jié)構(gòu)，“L”型加強件沿鎖扣安裝面方向長度125mm，為增加Y向振動時加強件的Y向支撐作用，對加強件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：一方面增加支撐面積，把加強件沿著安裝面方向向兩端分別延伸25mm，延伸后L型加強件長度達(dá)175mm;另一方面在折彎處增加豎向加強筋，進(jìn)一步增加抗Y向彎折變形能力。優(yōu)化后的設(shè)計方案如圖5所示。

對優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行動剛度分析驗證，仿真得到的100～400Hz頻率范圍內(nèi)左右側(cè)后門鎖扣X/Y/Z向動剛度曲線見圖6。根據(jù)動剛度響應(yīng)曲線可得到剛度最小值及其所處的頻率，統(tǒng)計結(jié)果見表2。統(tǒng)計結(jié)果顯示，左后門鎖扣X，Y，Z向動剛度分別由優(yōu)化前的6.36，0.94，2.39kN/mm提高至6.69，1.22，2.42kN/mm。右側(cè)鎖扣X/Y/Z向動剛度由優(yōu)化前的6.75/1.07/1.32kN/mm提升至7.06/1.33/1.42kN/ mm;其中Y向動剛度提升幅度最大，左側(cè)動剛度提升比例高達(dá)29.9%，右側(cè)動剛度提升百分比為24.3%。由此可見，根據(jù)ODS法仿真結(jié)果提出的解決方案能有效提高Y向動剛度性能。

優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)由2個件（L型加強件和鎖扣加強板）組成，結(jié)構(gòu)重量1.31kg，與初始設(shè)計的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)（如圖2（a）所示）相比，重量減輕0.65kg，減重百分比高達(dá)33.2%，結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少1個，其左右側(cè)Y向最低動剛度1.22/?1.33kN/mm略高于輕量化前方案的1.21/1.13kN/mm。可見優(yōu)化設(shè)計的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)在保持良好的剛度性能的同時兼具輕量化效應(yīng)，有利于節(jié)能減排;減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量能節(jié)省開模成本，經(jīng)濟性效果更佳。

3 結(jié)束語

本文基于ODS法仿真技術(shù)，對某SUV車型后門鎖扣動剛度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)在提升動剛度性能的同時達(dá)到了輕量化降本的目的。本文研究思路和成果可為今后車型開發(fā)過程中鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒依據(jù)。本文主要結(jié)論有：

（1）與X向，Z向動剛度比，后門鎖扣Y向動剛度值水平最低，研發(fā)實踐中特別注意Y向動剛度并適當(dāng)控制;鎖扣安裝結(jié)構(gòu)件中L型加強板在增強Y向剛度起到極為關(guān)鍵的作用。

（2）與初始方案比，優(yōu)化設(shè)計后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)方案能實現(xiàn)減重0.65kg，減重比例33.2%，輕量化、降本效果顯著，具有良好的經(jīng)濟性。

（3）優(yōu)化方案后門鎖扣Y向最小動剛度值達(dá)到了1.22kN/mm，提升幅度高達(dá)29.9%，與初始方案動剛度基本相當(dāng)，動剛度性能提升有利于關(guān)門聲品質(zhì)提高。

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