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1、HyperWorks在车身结构胶优化中的应用HyperWorks在车身结构胶优化中的应用HyperWorks Application In Body Structural Adhesive Optimization王宇飞（陶氏化学（中国）投资有限公司汽车系统事业部 上海201203）摘要：结构胶连接在汽车制造中可以起到辅助车身增强的作用，可有效提高车身刚度、碰撞安全性 以及耐疲劳性。本文以结构胶对某白车身的静态刚度提升为例，首先采用HyperMesh前处理器及 RADIOSS求解器搭建了静态刚度计算模型，并利用OptiStruct的拓扑优化技术针对刚度工况对结构胶 的位置进行优化，根据优化结果
2、确定最优应用位置，从而为主机厂客户提供最优性价比的方案。关键词： 车身刚度结构胶拓扑优化HyperWorksAbstract： Structural adhesive, as a key joining technology in modern car body, can play a significant role in body enhancement including stiffness, crash safety, and fatigue resistance improvement. In this paper, structural adhesive is designed t
3、o improve the static body stiffness. HyperMesh pre-processor and RADIOSS solver are used to build a static stiffness finite element model and baseline result firstly. Then, OptiStruct is employed for topology optimization in order to find the most sensitive structural adhesive locations of stiffness
4、 improvement. Accordingly, the best cost-effective structural adhesive solution is provided to automotive OEMs.Key Words: body stiffness, structural adhesives, topology optimization, HyperWorks1概述车身结构胶诞生于二十世纪九十年代，由BMW，Daimler公司与陶氏化学公司合作开发，首先用 在Daimler车身上，用于提升车身刚度、防撞性和耐久性。与单纯的点焊连接相比，结构胶连接或结构 胶和点焊的混合连
5、接可以提供更高的剪切和剥离强度。近年来，随着轻量化要求的不断提高，陶氏化学 BETAMATE结构胶系列产品更是用来实现铝、镁合金等轻金属及复合材料与传统车身连接的重要途径 1-7。传统的车身连接翻边长度大约在100到160米之间，出于成本和性能之间的平衡，除部分高端 车 型采用全铝车身或复合材料车身采用结构胶作为连接手段外，传统的钢制车身，根据设计需要，其用胶量 通常在20至60米之间，并且随着各汽车厂对结构胶连接优势及使用方法的理解和消化，其用量有逐 年提升的趋势。本文以采用陶氏BETAMATE结构胶提升车身静刚度为例，叙述了如何 采用 HyperWorks软件8进行结构胶设计，以最少的材料
6、成本达到最优的性能提升。2车身刚度的有限元模型及计算结果在前处理中，采用HyperMesh建立车身的静扭转刚度及静弯曲刚度的有限元模型。车身静刚度的计算方法有很多，这里采用较为常见的一种方法。其中，扭转刚度采用惯性释放法计算，在前后减震器支 架处各加载反对称的力矩M,如图1(a)所示，其扭转刚度值的计算公式如下：dY式中M为力矩，单位是kNm,。为扭转角度，下标和R分别表示前 Front)包和err分别为加载点沿Z方向和V方向的位移第二个下标R和L分别表示右CRight(L对座弯曲刖度计算时在左右两侧座椅横梁处各加载力F,如图1(b)所示，其弯曲叫 算由下式给出;.BendingStiffii
7、ess = 4F 点湖十枝气斯 式中，配昂和dZr即分别为加载后车身左右门槛梁曲挠度。结构胶在车身中的采用3D实体单元，利用HyperMesh中的2D-Connector面板可以行之有效的在车 身翻边中添加结构胶单元，结构胶单元在车身上的位置如图2所示，此处针对所有适合加胶的位置均建 立了结构胶的有限元模型，长度约为132m。所有的计算均采用RADIOSS求解器，后处理软件为HyperView,得出考察点的位移后依据上述 公式得到静扭转刚度和静弯曲刚度，并根据不同工况进行对比。表1给出了带有结构胶的刚度结果与未 加结构胶的刚度结果的比较。由表中可见，在车身翻边处采用结构胶连接后，其扭转刚度提升
8、约2.34 kNm/deg，弯曲刚度也有1.30 kN/mm的提 升。去1车身刚度值(带有结构胶和不带有结构胶)静刚度原始值加结构胶后提升百分比扭转刚度(kN m/deg)23.1925 5310.1%弯曲刚度21.5422 846.0%3结构胶拓扑优化及结果由于车身车间工艺所限以及主机厂设计成本的约束，我们需要对结构胶的施工位置进行优化，以采 用最少的结构胶达到最佳的效果。HyperWorks的拓扑优化功能提供了很好的解决方案。优化分别针对扭 转刚度和弯曲刚度进行，可在一个输入文件中设定不同的子分析步，并根据主机厂的设计要求对扭转刚度 和弯曲刚度设定相应的权重。优化计算后，输入的h3d文件由
9、HyperView后处理器读取，选取最后的 迭代步，查看结构胶单元的单元密度，如图3所示。(b)图3针对拙转刖度(a)和弯曲刚度(b)优化后的单元密度云图对于该车身而言，在前舱、c立柱下接头及行李箱支架处涂结构胶对提升扭转刚度有帮助，在门 槛梁、B立柱、后纵梁及前后地板交接处加结构胶对提升弯曲刚度有帮助，铰链柱和后轮罩及后减震器 支座处的结构胶对弯扭刚度都有贡献。图4给出了基于以上分析结果的涂胶建议图。表2同时给出了图 4中的涂胶方案的车身刚度计算结果。此方案中，所有结构胶线长度总和约为40m，相对总长度132m， 减少了约70%的胶线长度，而刚度值下降幅度并不明显，仍将扭转刚度值控制在主机厂
10、要求的25 kNm/deg以上，达到了设计要求。图表2车身刚度优化结果www.Simwe-com静刖度原始值加定构胶后优化加胶后提弥百分比扭转刚度(kN-rn眉og)23.1925 5325 269.0%弯曲刚度(khlhim)21.5422.8422.645.1%4结论 (1)陶氏结构胶产品可有效提高车身刚度，借此提升车辆的NVH性能及驾乘体验。借助HyperWorks的拓扑优化技术，可去除高达70%的材料使用成本，以达到最佳的性价比，实现 主机厂与供应商的之间的双赢。(BETAMATEtm是陶氏化学公司的注册商标)5参考文献1 Lutz, A, Symietz, D. Innovative
11、 structural adhesive approach for car manufacturing. In: Auto Technology 3 (2003), No. 5, pp. 42-46.2 Pfestorf M. Multi-material light weight design for the body in white of the new BMW7 series, International Conference “Innovative Developments for Lightweight Vehicle Structures, Conference Proceedi
12、ngs, 26th-27th May, 2009, Wolfsburg, Germany.3 Mlekusch B, Elsasser H, Audi - the new A6, EuroCarBody 2011,13th Global Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.4 Cha S, Seo S, Chang I S, Hyundai - the new i40, EuroCarBody 2011,13th Global
13、 Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.5 Symietz D, Lutz A. Structural Bonding in Automobile manufacturing: Properties, applications and performance of a new bonding technique, SV corporate media GmbH, 2007.6 王宇飞，杨晓军，Mansour M.结构胶工程模型在车身轻量化上的实践,2011中国汽车轻量化技 术研讨会报告集，2011年9月，重庆.7杨晓军.结构胶与汽车轻量化，2010中国汽车轻量化技术研讨会报告集，2010年9月，芜湖.8 Altair HyperWorks使用手册.
