李亭 王得天
摘 要:為了采集汽車門蓋系統(tǒng)關(guān)閉過程中鎖鉤接觸到鎖扣傳遞的力,本文利用CAE虛擬分析方法,進(jìn)行采集鎖扣力試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)。通過DOE方法對(duì)試驗(yàn)工裝相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇,利用虛擬分析方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),找到各參數(shù)之間的最佳組合,設(shè)計(jì)出滿足需求的結(jié)構(gòu),并優(yōu)化布置應(yīng)變片的位置,進(jìn)行鎖扣力測量。CAE方法的應(yīng)用大大提高了鎖扣力測量方法設(shè)計(jì)的效率和精確性。
關(guān)鍵詞:汽車門蓋;鎖扣力測量方法;DOE虛擬分析
1 前言
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李箱蓋及側(cè)門都屬于車身覆蓋件,是白車身的重要組成部分,起著保護(hù)駕駛員和乘員安全,防盜及隔離噪聲等作用[1]。汽車門蓋系統(tǒng)最重要的性能是開關(guān)過程中的過關(guān)量和疲勞耐久。過關(guān)量是指門蓋關(guān)閉過程中超過其正常關(guān)閉時(shí)所在位置的位移量。疲勞耐久性能要求門蓋系統(tǒng)在各種使用速度下,重復(fù)關(guān)閉多次,不要出現(xiàn)鈑金開裂和焊點(diǎn)脫落等問題。
鎖扣傳遞的力能夠真實(shí)反映整個(gè)系統(tǒng)的受載情況。一般來說,門蓋關(guān)閉過程中鎖扣傳遞的力過大,會(huì)出現(xiàn)疲勞耐久問題,同時(shí)過關(guān)量也會(huì)偏大。高精度測量得到鎖扣力值,就可以對(duì)門蓋開關(guān)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行追蹤,有的放矢地高效解決問題。
本文采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和智能優(yōu)化算法相結(jié)合,設(shè)計(jì)出采集鎖鉤力的試驗(yàn)工裝,并優(yōu)化應(yīng)變片的布置,采集鎖扣力。設(shè)計(jì)的工裝結(jié)構(gòu)精巧,非常方便數(shù)據(jù)采集,同時(shí)能保證數(shù)據(jù)采集的精度,還可重復(fù)應(yīng)用,節(jié)省成本。
2 門蓋鎖扣力測量的原理
本文所設(shè)計(jì)的測量方法是通過應(yīng)變來標(biāo)定出鎖扣力,結(jié)構(gòu)簡單,不需要破壞鈑金結(jié)構(gòu)。
2.1 應(yīng)變片布置方法
2.2 其他要求
為了確保測量結(jié)果的精度和穩(wěn)健,設(shè)計(jì)的測量方法還需要滿足如下要求:
1)垂向力和側(cè)向力的相互影響要小于10%;
2)應(yīng)變對(duì)受力位置+/-3mm不敏感(制造容差之內(nèi));
3)試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)沒有明顯的永久變形,以便工裝能重復(fù)利用。
3 CAE模型的建立及仿真分析
為了節(jié)約成本,加快開發(fā)效率,此次設(shè)計(jì)運(yùn)用了虛擬分析方法來主導(dǎo)汽車門蓋鎖扣力測量方法設(shè)計(jì)。
3.1 用仿真分析方法確定應(yīng)變片位置
約束鎖扣工裝螺栓處6個(gè)方向自由度,在鎖扣工裝鎖鉤撞擊處沿撞擊方向施加極限載荷1500N,進(jìn)行CAE分析。
試驗(yàn)工裝的材料采用調(diào)質(zhì)后的45號(hào)鋼,屈服強(qiáng)度為350MPa(數(shù)據(jù)來自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè))。CAE模型見圖3。
根據(jù)應(yīng)變片布置的原則:
1)貼片處應(yīng)力對(duì)載荷較敏感;
2)貼片處應(yīng)力變化梯度較小。
確定應(yīng)變片的具體位置,如圖3所示。
3.2 工裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)狀態(tài)垂向力作用下的應(yīng)力分析結(jié)果,如圖4所示,紅色表示應(yīng)力超過屈服極限的位置。試驗(yàn)工裝整體結(jié)構(gòu)剛度偏弱,需要對(duì)試驗(yàn)工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.2.1 設(shè)計(jì)變量確定
根據(jù)應(yīng)力云圖,選取三個(gè)設(shè)計(jì)變量,如表1及圖5所示。
3.2.2 確定優(yōu)化目標(biāo)、約束
為了確保測量結(jié)果的精度,要求貼應(yīng)變片處應(yīng)力對(duì)載荷比較敏感,即在滿足屈服極限的情況下,應(yīng)力和遵循望大特性。優(yōu)化目標(biāo)見公式3-1所示:
1)垂向力在設(shè)計(jì)位置的工況下,圖2中應(yīng)變片1、2、3、4位置沿著應(yīng)變片貼片方向的應(yīng)力和,這里用參數(shù)s_vertical表示;
2)側(cè)向力在設(shè)計(jì)位置的工況下,圖2中應(yīng)變片5、6、7、8位置沿著應(yīng)變片貼片方向的應(yīng)力和,這里用參數(shù)s_lateral表示:
式中:w1和w2為權(quán)重系數(shù),均取0.5。
目標(biāo)函數(shù):Max s_goal,即貼片處應(yīng)力和最大。
為了減少采集垂向力和側(cè)向力的相互影響及試驗(yàn)工裝的可重復(fù)利用,約束設(shè)定為:
1)貼應(yīng)變片處應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力;
2)試驗(yàn)工裝的永久變形小于0.1mm。
本文中的優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是Hyperwork軟件包中的Hyperstudy,調(diào)用的求解器為ABAQUS。因?yàn)榭紤]的是多目標(biāo)、多約束、多參數(shù)和多工況的優(yōu)化,優(yōu)化求解過程相對(duì)比較復(fù)雜。
3.3 近似模型的建立
3.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment,DOE)是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理[2]。從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中選取合適的有代表性的點(diǎn),應(yīng)用正交表來合理安排試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。
選取的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量共3個(gè),每個(gè)設(shè)計(jì)變量設(shè)置7個(gè)水平,擬進(jìn)行49次abaqus模擬計(jì)算。得到49組響應(yīng)值,以便構(gòu)建近似模型。試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表2。
3.3.2 近似模型建立
文中采用Kriging模型用于構(gòu)建近似面。利用上述設(shè)計(jì)樣本來構(gòu)建Kriging近似模型,同時(shí),另選樣本點(diǎn)及響應(yīng)值用于驗(yàn)證,驗(yàn)證點(diǎn)的ABAQUS值與近似模型值相差均在1%以內(nèi),可信度較高。
3.3.3 優(yōu)化分析
選擇遺傳算法對(duì)近似模型進(jìn)行尋優(yōu),初始種群個(gè)數(shù)為由軟件自動(dòng)選取,最大迭代代數(shù)設(shè)定為25次,最終得出模型最優(yōu)解集。通過迭代尋找到最優(yōu)值,優(yōu)化后shape_T.S=6.2mm,輸出的目標(biāo)值為410MPa。
為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性,將優(yōu)化后的模型代入ABAQUS重新計(jì)算提取后的結(jié)果為409MPa,誤差為0.2%,這說明近似模型的結(jié)果準(zhǔn)確性非常高。基于成本考慮,試驗(yàn)工裝可重復(fù)應(yīng)用,最終的設(shè)計(jì)方案為,工裝底座厚度采用6.5mm。
4 結(jié)論
將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和智能優(yōu)化相結(jié)合的方法引入到汽車門蓋鎖扣力研究中去,給出了一種新的門蓋鎖扣力優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。
該方法為今后更多車型門蓋鎖扣力的測量提供了方便、穩(wěn)健的方法,幫助工程師盡快找到門蓋過關(guān)試驗(yàn)中出現(xiàn)的疲勞問題和碰漆問題的根本原因。并且該方法可以提高了項(xiàng)目開發(fā)的效率,節(jié)省了反復(fù)工裝制作和試驗(yàn)帶來的人力、資金和時(shí)間成本。
參考文獻(xiàn):
[1]程超,王得天,邱榮英,洪光輝.汽車行李箱蓋扭桿彈簧簡化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013.
[2]張崎,李興斯.基于Kriging模型的結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2006.
作者簡介:李亭(1983-),女,河北樂亭人,碩士,中級(jí)工程師,研究方向:整車試驗(yàn)認(rèn)證。