Optimización de la estructura de la carrocería del automóvil basada en el método de topología

La topología es una rama importante de las matemáticas. Estudia principalmente las características relevantes de las figuras geométricas que pueden permanecer sin cambios cuando cambian continuamente de forma, es decir, el estudio de la invariancia y la invariancia de los espacios topológicos bajo transformaciones topológicas. . La optimización es una rama de las matemáticas aplicadas. Es un método para seleccionar una determinada solución bajo ciertas restricciones para lograr el objetivo óptimo. Se utiliza ampliamente en muchos campos, como el diseño de ingeniería y la gestión de proyectos. Actualmente, el personal de I+D del sector automovilístico japonés combina a la perfección métodos de topología, optimización e ingeniería asistida por ordenador (CAE) y los ha aplicado con éxito al proceso de optimización de piezas fundidas como bloques de motor y brazos de control inferiores de suspensión. Se presentan los principios básicos y los resultados de optimización de la aplicación de métodos de topología para optimizar piezas de automóviles. Al mismo tiempo, se muestra un ejemplo de aplicación del programa de análisis de optimización de topología para la optimización de posiciones de soldadura por puntos y posiciones de adhesivo.

0?Prólogo

Debido a la necesidad de proteger el medio ambiente y mejorar el consumo de combustible, las principales empresas automovilísticas están promoviendo rápidamente el aligeramiento de las carrocerías. Para conseguir un peso ligero, la carrocería de un automóvil tiende a utilizar placas de acero de alta resistencia. Con la aplicación de placas de acero de alta resistencia, el espesor de las placas se reduce correspondientemente, lo que da como resultado una reducción de la rigidez de toda la carrocería. Como contramedida relacionada, es esencial utilizar materiales con la masa más ligera para compensar la rigidez reducida resultante. Actualmente, se pueden lograr mejoras mediante métodos de optimización topológica. El método de optimización topológica consiste en retener las unidades necesarias bajo la premisa de dar un determinado espacio de diseño. Mediante un diseño topológicamente optimizado, se pueden aplicar formas complejas y únicas a los componentes. Este método se ha aplicado actualmente en el proceso de optimización de bloques de motor y brazos de control inferiores de suspensión. En cuanto a la carrocería compuesta de placas delgadas, dado que el proceso de optimización de la topología debe centrarse en cuestiones como el tamaño de la unidad y la carga de cálculo, y el tamaño de la unidad no puede reducirse excesivamente, es difícil diseñar una forma de pieza específica utilizando métodos de optimización de la topología. Basándose en las directrices de diseño preliminares, los investigadores optimizaron la topología de la unidad de carcasa delgada para las partes más sensibles de la estructura actual de la carrocería del automóvil.

Este artículo presenta la introducción de un espacio de diseño compuesto por unidades sólidas en una estructura de carrocería de automóvil compuesta por unidades de carcasa delgada y utiliza métodos de optimización topológica para mejorar la forma de las piezas. Además, se presenta la aplicación de un programa de análisis de optimización de topología a la soldadura por puntos, junto con un ejemplo del proceso de optimización para la ubicación del recubrimiento adhesivo.

1?Optimización de la forma de la pieza en función de la rigidez estática de la carrocería en blanco

1.1?Método de análisis

La figura 1 muestra el vehículo completo utilizado para Modelo del proceso de optimización del cuerpo en blanco. El modelo de vehículo fue emitido por el Centro Federal de Evaluación de Vehículos Nuevos (NCAC). La carrocería del vehículo está compuesta por unidades de carcasa delgada. La Figura 2 muestra las cuatro limitaciones de la capacidad de carga de la carrocería del vehículo. Restringir los componentes de montaje de la suspensión delantera y los componentes de montaje del resorte helicoidal trasero representa 3 de las 4 condiciones, y la condición de carga restante es cargar 1?000?N? Al mismo tiempo, los investigadores establecieron cuatro condiciones para cambiar la posición de carga y utilizaron la carrocería en blanco que se muestra en la Figura 1 para verificar la racionalidad del método de diseño espacial utilizado en la carrocería compuesta por unidades de carcasa delgada. El componente objetivo se estableció como la porción combinada del larguero y el travesaño que constituye el piso trasero en el análisis de sensibilidad. La Figura 3 muestra los componentes de destino optimizados. Durante la introducción del espacio de diseño, los investigadores quitaron los componentes terminales de los miembros transversales y dispusieron el espacio de diseño compuesto por unidades sólidas. Teniendo en cuenta los requisitos de transferencia de carga, el espacio de diseño formado por elementos macizos se unió a los extremos de los largueros transversales, los largueros traseros y el suelo formado por elementos de carcasa delgada. La condición objetivo óptima es minimizar la suma de la comodidad de marcha de las cuatro condiciones de carga que se muestran en la Figura 2. Las restricciones también deben tener en cuenta la forma de la pieza generada a partir de la hoja dentro del espacio de diseño, estableciendo su porcentaje de volumen en 20%. Además, los investigadores aprovecharon al máximo los resultados de retención basados ​​en métodos de optimización topológica para optimizar la forma de la pieza, garantizando así su rigidez.

1.2? Resultados de la optimización

La Figura 4 muestra la parte retenida de la carrocería después de la optimización de la topología. Esta parte retenida consta de largueros laterales traseros y largueros transversales, centrándose en conservar el plano lateral del piso del espacio de diseño. Generalmente se cree que la carga debe transferirse desde el punto de carga al piso a través de largueros y miembros transversales.

1.3? Investigación de formas basada en resultados de optimización

La Figura 5 muestra la comparación de formas entre las nuevas piezas generadas utilizando el método de optimización basado en topología y las piezas originales. Las piezas optimizadas se unen mediante soldadura por puntos a los largueros, largueros y suelo del mismo modo que las piezas originales. Basado en las piezas originales, la rigidez torsional de las piezas optimizadas aumentó aproximadamente un 4,3% y la masa aumentó en 0,1 kg. En circunstancias normales, es difícil mejorar la rigidez torsional de la carrocería. Desde la perspectiva de la eficiencia de masa, los investigadores creen que este método puede lograr la optimización de la rigidez torsional (refiriéndose a la capacidad de fortalecer la rigidez de la pieza a expensas de un aumento mínimo de masa).

La Figura 6 ilustra el efecto de la optimización de piezas mediante una comparación de la distribución de la energía de deformación. En este ejemplo de optimización, se minimiza la suma de la suavidad de las piezas. Los bordes de los largueros y las esquinas del suelo en las piezas originales generan una gran energía de deformación. Se confirma que la energía de deformación en los bordes de los miembros transversales optimizados y en las esquinas del suelo se ha reducido significativamente.

2?Optimización de la forma de la pieza de los valores propios del cuerpo en blanco

2.1?Método de análisis

La Figura 7 muestra los valores propios utilizando ingeniería asistida por computadora ( CAE) El estado de flexión y deformación de la parte delantera de la carrocería del automóvil obtenido mediante análisis. Como objeto de este estudio, se seleccionó el modo de flexión frontal en el que solo la parte delantera de la carrocería del vehículo se mueve en la dirección del ancho del vehículo. La longitud total de la carrocería del automóvil es de 4?178?mm y su deformación se expresa 25 veces. Según la Figura 7, se puede ver que la carrocería del automóvil sólo se enfrenta al estado de flexión frontal. A juzgar por el valor característico de este modo de flexión, el valor característico de flexión de la carrocería original es de 31 Hz, y el valor propio de flexión frontal de una carrocería con mayor seguridad de manejo será superior a 40 Hz. Por lo tanto, los investigadores apuntaron a valores superiores a 40 Hz y realizaron investigaciones.

Para la carrocería en blanco que se muestra en la Figura 1, se estableció un modelo de optimización introduciendo un método de diseño espacial en la carrocería compuesta por unidades de capa delgada. El componente objetivo del proceso de optimización fue la sección delantera, desde el soporte del radiador hasta la parte superior del motor en la zona de flexión transversal delantera. la Figura 8(a) muestra el estado de la carrocería del automóvil original; la Figura 8(b) muestra el estado después de que se han retirado las piezas de la carrocería del automóvil original; la Figura 8(c) muestra el espacio de diseño después de introducir la unidad sólida en su totalidad; estado del auto. Se configuró un espacio de diseño compuesto por unidades sólidas para la carrocería del automóvil, en el que se eliminaron el soporte del radiador y los soportes del guardabarros, pero se conservó el larguero delantero. Además, considerando los requisitos de transferencia de carga, se conectaron el espacio de diseño y la carrocería del automóvil, y se establecieron las condiciones objetivo óptimas para maximizar el valor característico de flexión frontal, y el porcentaje de volumen se estableció en menos del 20%. Como verificación del rendimiento, los resultados retenidos después de la optimización topológica se utilizaron para generar modelos con diferentes formas de sección transversal, y sus formas y espesores de placa se ajustaron al mismo tiempo para verificar los valores propios. Además, a modo de comparación técnica, se verificó la varilla de soporte en forma de torre utilizada para fijar el parachoques y se utilizaron piezas diseñadas en base a análisis de sensibilidad como objetivos de optimización para verificar que los valores característicos mejoraban al aumentar el espesor de la placa. .

2.2? Resultados de la optimización

La Figura 9 muestra el estado retenido después de la optimización de la topología utilizando el modelo de carrocería. El resultado de conservar la característica es que la parte delantera adopta forma de X. Primero, se logró una contracción única cerca del marco de fijación del radiador, y luego se conectó a las partes de montaje izquierda y derecha del parachoques, y luego se contrajo nuevamente en la parte inferior de la carrocería del automóvil, obteniendo así el resultado de la estado retenido. A partir de este resultado, se puede ver que para mejorar el valor característico de la flexión delantera, es eficaz soportar la suspensión delantera y el parachoques a través de piezas de conexión.

2.3? Investigación sobre la forma de la pieza basada en el proceso de optimización

Ensamblar las piezas diseñadas después de la optimización en la carrocería del automóvil y, como comparación con las piezas optimizadas, utilizar un soporte en forma de torre. varilla que conecta las suspensiones izquierda y derecha. La Figura 10 muestra la pieza con mayor espesor de placa después del análisis de sensibilidad. El espesor de la placa de estas piezas también se fijó en 1,2 veces, 1,4 veces y 2,0 veces, respectivamente, y se realizó un análisis de valores propios. La Figura 11 también muestra los valores característicos de flexión frontal de la pieza después de usar varillas de soporte en forma de torre, aumentar el espesor de la placa y optimizar la forma. El valor característico de flexión frontal de la pieza optimizada es de 55 Hz, que se puede mejorar considerablemente. Aumentar el valor propio de la varilla de soporte de la torre en 0,2 Hz no tendrá un efecto significativo en las partes curvas frontales. Además, incluso si solo se aumenta el espesor de la placa de las piezas de alta sensibilidad, por ejemplo, si la masa de la placa aumenta en 25 kg, el valor característico solo se puede aumentar a 35 Hz y el efecto no se puede comparar con el proceso de optimización.

3? Optimización de la posición del punto de soldadura por puntos de la carrocería en blanco

3.1? Método de análisis

La Figura 12 muestra el programa de optimización del punto de soldadura por puntos. Diagrama esquemático. Esta figura simula la parte de brida de la pieza y es un ejemplo de cómo configurar puntos de soldadura adicionales a intervalos de 20 mm. Los puntos de soldadura originales se dispusieron a una distancia de 40 mm. Después de la optimización, se establecieron a una distancia mínima de 20 mm como puntos de soldadura objetivo del proceso de optimización. Según el método de optimización de la topología, sólo se conservan los puntos de soldadura que tienen un mayor efecto sobre la rigidez.

En el modelo de vehículo completo, se ajustó la separación mínima de los puntos de soldadura en 10?mm, 20?mm y 30?mm?, y se estudió su impacto en la rigidez. Todo el modelo de vehículo utiliza la carrocería del vehículo que se muestra en la Figura 1, y las condiciones de carga utilizan las condiciones de restricción de carga de rigidez torsional en la Figura 2, y los puntos de soldadura se describen mediante elementos sólidos. En comparación con los 3.906 puntos de soldadura originales en la carrocería del automóvil, el espacio mínimo entre los puntos de soldadura es de 20 mm. El número objetivo optimizado de puntos de soldadura se establece en 3.168. El espacio mínimo entre los puntos de soldadura es de 10 mm. El número objetivo de puntos de soldadura se establece entre 10 y 932. De acuerdo con la separación mínima entre puntos de soldadura de 30 mm, el número objetivo optimizado de puntos de soldadura se establece entre 1 y 679. Los puntos de soldadura mencionados anteriormente se establecen como condiciones objetivo para el posterior proceso de optimización de la topología, de modo que se minimice la suma de la suavidad de las cuatro condiciones de carga, convirtiéndola en la condición de restricción con la máxima rigidez, conservando así la relación de las número de puntos de soldadura al número óptimo de puntos de soldadura. El número de puntos de soldadura retenidos después del proceso de optimización se establece en 200, 400 y 600 respectivamente según el intervalo mínimo de puntos de soldadura. Además, los resultados retenidos basados ​​en el proceso de optimización de la topología se utilizaron para generar el modelo completo del vehículo y su rigidez se verificó mediante CAE.

Además, se agregaron otros puntos de soldadura cerca del punto de soldadura con características de alta tensión y se compararon con los resultados optimizados.

La Figura 13 muestra un diagrama esquemático de uniones de soldadura suplementaria por métodos tradicionales. El método adoptado consiste en añadir dos puntos de soldadura adicionales a una distancia de 20 mm a ambos lados del punto de soldadura con mayor energía de deformación. En cada punto de soldadura bajo las cuatro condiciones de carga anteriores, clasifique según la energía de deformación total y establezca el número objetivo de puntos de soldadura en 100. A ambos lados de estos 100 puntos de soldadura objetivo se añaden 200 puntos de soldadura adicionales con una separación mínima de 20 mm.

3.2? Resultados del análisis de optimización de las posiciones de los puntos de soldadura

La Figura 14 muestra las condiciones mínimas de espaciado de los puntos de soldadura de todo el modelo de vehículo, según el proceso de optimización de la topología de los puntos de soldadura. Este es el resultado de complementar 200 puntos de soldadura en diversas condiciones de espaciado de los puntos de soldadura. Las ubicaciones de los puntos de soldadura restantes se distribuyen principalmente en los largueros traseros (travesaños traseros), las partes superior e inferior del pilar B de la carrocería, el pilar A y la periferia del soporte de la torre del amortiguador. Además, cuando el espacio entre los puntos de soldadura es pequeño, se puede ver que los puntos de soldadura retenidos tienden a estar densamente distribuidos; cuando el espacio entre los puntos de soldadura es grande, se puede ver que los puntos de soldadura retenidos tienden a estar dispersos;

La Figura 15 muestra el efecto del uso del proceso de optimización de la topología para aumentar la rigidez de la carrocería del automóvil complementando los puntos de soldadura. Bajo todas las condiciones de la separación mínima de los puntos de soldadura (refiriéndose a que la separación de los puntos de soldadura es de 10 mm, 20 mm y 30 mm respectivamente), a medida que el número de puntos de soldadura se complementa continuamente, la rigidez aumenta. Sin embargo, cuando el espacio entre los puntos de soldadura es de 30 mm, a medida que aumenta el número de puntos de soldadura, el efecto de mejora de la rigidez se satura gradualmente. Además, en las mismas condiciones de complementar los puntos de soldadura, cuanto menor sea el espacio entre los puntos de soldadura, más evidente será el efecto de mejora de la rigidez. Este fenómeno se debe al pequeño espacio entre los puntos de soldadura de 10 mm, por lo que la posición del punto de soldadura se puede establecer de manera confiable para mejorar la rigidez bajo la condición de que el espacio entre los puntos de soldadura sea de 30 mm, debido al espacio entre los puntos de soldadura, Restricciones; Normalmente no es posible aumentar directamente la rigidez del componente.

La Figura 16 muestra la comparación de los efectos después de complementar 200 posiciones de puntos de soldadura mediante métodos tradicionales y métodos de optimización de topología. Los puntos de soldadura agregados mediante métodos tradicionales se concentran en los travesaños traseros y las partes superior e inferior del pilar B de la carrocería, mientras que los puntos de soldadura agregados mediante métodos de optimización de topología se distribuyen básicamente en toda la carrocería. La Figura 17 muestra el efecto del uso de métodos tradicionales y métodos de optimización de topología para mejorar la rigidez complementando los puntos de soldadura por puntos. El efecto de mejora de la rigidez utilizando el método de topología es 3 veces mayor que el efecto de mejora de la rigidez utilizando el método tradicional. Se puede considerar que esto se debe al uso inicial de métodos tradicionales para determinar la posición de los puntos de soldadura posteriores, pero a la incapacidad de adaptarse al estado de tensión durante el proceso de complementar los puntos de soldadura. Por otro lado, durante la aplicación del método topológico, se considera que las posiciones de los puntos de soldadura adicionales se han optimizado para maximizar la rigidez cuando se añaden 200 puntos de soldadura.

4. Optimización de las ubicaciones del recubrimiento adhesivo para estructuras de carrocería en blanco

4.1 Métodos de análisis

En cuanto a la optimización de las ubicaciones del recubrimiento adhesivo Para la optimización, el Se utiliza el modelo de cuerpo en blanco que se muestra en la Figura 1 y las condiciones de carga son las mismas que las del proceso de optimización de la posición del punto de soldadura. Con respecto al modelo de vehículo, se utilizó un método de optimización de la topología para ajustar la cantidad de retención en función del estado del recubrimiento adhesivo en la superficie de la brida y se estudió su impacto en la rigidez. El adhesivo normalmente se configura como un elemento sólido y está diseñado para recubrir una longitud total de 103 µm con adhesivo estructural. Dado que los parachoques delantero y trasero, el techo del vehículo, el bastidor auxiliar y otros componentes no son las principales áreas de aplicación de los adhesivos, normalmente no se incluyen entre los objetivos de la investigación.

Los investigadores establecieron el lugar donde se aplica el adhesivo como la condición objetivo del proceso de optimización de la topología para minimizar la suma de la suavidad de las cuatro condiciones de carga. Para maximizar la rigidez, se utiliza como restricción el parámetro de relación de la cantidad retenida de aglutinante/la cantidad de aglutinante objetivo para la optimización. La proporción de conglomerante retenido tras el proceso de optimización se fija en 80%, 60%, 40% y 20%*** en cuatro casos. Además, los resultados retenidos basados ​​en el proceso de optimización de la topología se utilizaron para construir un modelo de vehículo, se midió la longitud del revestimiento adhesivo en la dirección de la longitud de la brida y se verificó la rigidez. De acuerdo con las características del aglomerante, el módulo elástico utilizado en el proceso de investigación fue de 3,0?GPa, el índice de Poisson fue de 0,45 y la gravedad específica fue de 1,0 y su rigidez fue verificada por CAE.

Los investigadores utilizaron CAE para construir con precisión el modelo estructural. Sin embargo, cuando se utilizan adhesivos, el proceso depende en gran medida de las operaciones manuales y, por lo tanto, consume más horas de trabajo. Por lo tanto, para el proceso de optimización de la posición del punto de soldadura, se centró en el método de mejorar la rigidez ajustando la posición del recubrimiento adhesivo. Dado que los puntos de soldadura se pueden reponer automáticamente, las horas de trabajo se pueden reducir a menos del 50% del tiempo original. Utilizando el programa de optimización de puntos de soldadura que se muestra en la Figura 12, la unidad de unión se configuró con una separación de puntos de soldadura de 10 mm para formar un estado cercano a la unión continua. Además, se requiere que la unidad de unión sea consistente con el proceso de optimización del adhesivo y conserve los puntos de soldadura originales. En cuanto al modelo de vehículo completo, en comparación con los 3.906 puntos de soldadura originales de la carrocería, los investigadores establecieron un número objetivo optimizado de 10.932 puntos de soldadura. Para minimizar la suma de la suavidad de las cuatro condiciones de carga, se mantienen de 3 a 600 puntos de unión. Con este resultado retenido, se realizaron estudios sobre el lugar de aplicación del adhesivo.

4.2? Resultados del análisis de optimización de la posición del recubrimiento adhesivo

La Figura 18 muestra la posición de retención del adhesivo después de utilizar el método de optimización de topología en el modelo de vehículo completo. Las principales ubicaciones de revestimiento reservadas son el travesaño trasero (travesaño trasero), las partes superior e inferior del pilar B de la carrocería, el pilar A, la periferia del soporte de la torre del amortiguador y el panel de la pared frontal.

Aplicando el método de optimización basado en la posición del punto de soldadura, para centrarse en la posición del revestimiento adhesivo que favorece la mejora de la rigidez, los 600 puntos de soldadura adicionales agregados mediante el método de optimización de la topología se compararon con los uso de Ubicación de la aplicación del adhesivo. La Figura 19 muestra estas soldaduras y sus ubicaciones optimizadas después del recubrimiento con adhesivo. Los lugares donde se retienen los puntos de soldadura son principalmente los largueros traseros, las partes superior e inferior del pilar B de la carrocería, el pilar A? y la zona alrededor del soporte de la torre del amortiguador. En comparación con la posición donde permanece el adhesivo, las posiciones de distribución de los dos son aproximadamente las mismas. Por ejemplo, la parte superior del panel de la pared frontal y el panel de la pared lateral trasera de la carrocería tienen menos puntos de soldadura.

Por otro lado, los adhesivos generalmente se consideran más efectivos en áreas donde las uniones de soldadura están densamente distribuidas. La Figura 20 muestra componentes con juntas de soldadura espaciadas a menos de 20 µmm, así como componentes con juntas de soldadura espaciadas a más de 20 µmm y adecuadas para recubrimiento adhesivo. Debido a la aplicación de este método, en comparación con el mayor espaciamiento de la Figura 19, también se muestran los resultados de la retención de puntos de soldadura discretos, y se considera que pueden ser utilizados como sitio de aplicación del adhesivo para uniones continuas ( es decir, indicar claramente la ubicación del recubrimiento del agente adhesivo).

La Figura 21 muestra un ejemplo de aplicación de este método a la producción en masa de carrocerías de automóviles. La carrocería es la de un modelo Edition de vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV). La posición de apertura de la puerta trasera de este modelo, la posición de apertura del portón trasero del compartimento de carga y el paso de rueda se optimizaron mediante métodos topológicos y se recubrieron con adhesivo.

5? Conclusión

Este artículo presenta la aplicación del método de optimización topológica en la carrocería de un automóvil. Para una carrocería compuesta de placas delgadas, el uso de un espacio de diseño compuesto de unidades sólidas y el uso de métodos de optimización topológica pueden optimizar la forma de las piezas y fortalecer la configuración óptima de las piezas. Este método puede diseñar piezas con formas de alta calidad en el campo de modelos de vehículos completos con rutas de transferencia de carga complejas. Además, el método de optimización de la topología también tiene un buen efecto en la optimización de la posición de los puntos de soldadura y las posiciones del recubrimiento adhesivo. Al mismo tiempo, todo el modelo de vehículo puede optimizar eficazmente la ubicación de los puntos de soldadura y las ubicaciones del recubrimiento adhesivo. En el futuro, los campos de aplicación de los métodos de optimización topológica podrán ampliarse gradualmente.

Nota: Este artículo fue publicado en el número 3 de 2020 de la revista "Automobiles and New Power"

Autor: [japonés] Saito Takanobu y otros

Organizado por: Peng Huimin

Editor: Wusset

Este artículo proviene del autor de Autohome Chejiahao y no representa los puntos de vista ni las posiciones de Autohome.