吴飞，曾霁，石少亮

（湖南大学机械与运载工程学院；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室）

摘要：目前汽车轻量化技术已经成为汽车技术发展中一个非常重要的研究课题。在实现汽车轻量化的众多方法中优化汽车的结构是当今研究的重点，也是应用最普遍、效果最明显的方法。本文即从结构优化的角度实现了车门的轻量化。本文在已知车门初始性能的基础上借助OptiStruct对车门进行了拓扑优化和厚度优化，从而实现了车门的轻量化。最后将车门的新方案和原方案的仿真性能进行对比，结果显示在车门质量减少了7.57%的同时，车门各性能都有一定程度的提高。从而证明了此轻量化方案的可行性。

关键词：拓扑优化，厚度优化，轻量化，OptiStruct

1. 引言

近年来，资源问题、环境问题日益突出，而汽车作为与这些问题息息相关的因素之一，节能微排就成了汽车工业义不容辞的责任。因此，汽车轻量化已经成为汽车技术发展中一个非常活跃的研究课题。目前实现汽车轻量化的主要途径有优化汽车结构、采用新工艺和使用轻质材料。其中优化汽车的结构是技术最成熟、应用最广泛、效果最明显的途径。本文在已知车门仿真性能的基础上对车门结构完成了拓扑优化，并对车门各零件进行厚度优化，从而得到了最终的轻量化方案。最后仿真对比分析了原车门和新车门的刚度性能和模态性能，结果证明了此轻量化方案的可行性。

2、车门的轻量化

2.1 刚度及模态目标的初步确定

表1列出了车门的七个初始刚度的性能均符合某公司的标准，但各刚度极度不平衡，可能会导致局部变形过大的问题。刚度目标的确定，就是要协调各刚度值，在保证车门性能基本不变的情况下，适当减弱刚度较好的刚度值，提高较差的刚度值，使得车门整体结构均匀、平衡。

相比其他车型的车门，下垂刚度处于中等水平，因此目标与初始状态保持一致。而上扭刚度明显较好，离标准有充裕的盈余，因此可以适当减弱；而下扭刚度则相对较差，需要提高。窗框中部刚度刚好满足要求，有待提高，而角部工况可以适当减弱；外板带线刚度也处于中等水平，目标与初始状态保持一致，而内板带线刚度则太好，有较大的减弱空间。

车门模态中最重要的是整体弯曲和整体扭转模态，这两阶模态代表了车门整体抗弯抗扭的能力。本文也只取这两阶模态作为约束。但考虑到减重可能会降低模态的频率值，因此目标定在初始值水平。表1列出了各刚度值和模态值的初步目标值。

2.2 建立拓扑优化模型

在不改变车门原结构的基础上进行拓扑优化设计。原则是在保证刚度、模态基本不变的前提下，计算得出对车门性能贡献较小的零件。

一般情况下，车门的铰链是固定的，不考虑优化；车门外板厚度因需满足抗凹等要求，也不考虑优化；外板防撞板因侧碰要求也不考虑优化；车门功能件如玻璃导槽、升降器安装板及其连接件等也不参与优化。因此设定拓扑优化空间为图1和表2所示各零件。设定优化单元类型为壳单元。

系统响应的设定。本模型的响应有10个，其中刚度7个工况对应7个静态位移的响应，2个模态对应的频率响应，最后为车门总质量响应。

优化约束的设定。本模型共设置了9个约束，其中7个刚度工况约束，2个模态频率约束。需注意的是：为保证比较明显的优化效果，约束值的设定应大于分析得出的最大位移量，各约束的值如表3所示。

优化目标的设定。拓扑优化的目的是对车门进行轻量化设计，因此本模型的优化目标设定为车门总质量最小。