CAE在转向系统关键性焊缝研究中的应用

 1、概述

 目前汽车的NVH性能越来越受到汽车厂商的重视，而转向系的振动与噪声是驾驶员可以直接感知到的敏感因素，且近年来越来越受到消费者的关注，是影响整车NVH水平的重要部分。

 模态分析是确定设计结构或机械零部件的振动特性，得到结构固有频率和振型的过程。转向系统模态是否满足设计目标是决定转向系统振动舒适性的关键因素之一，通过目前已有车型的反馈数据发现，转向系统因焊接质量不合格和性能衰减的问题导致转向系统振动舒适性下降严重，本文通过Altair拓扑优化模块对转向系统进行焊缝优化，找出关键焊缝，在实际焊接过程中控制关键焊缝的焊接质量，以此达到控制转向系统性能衰减的因素。

 2、有限元模型建立

 转向系统由多个子系统组成，其整体刚度是转向柱、安装支架和仪表板横梁集中体现的。转向系统各部件之间主要通过焊缝和螺栓连接，所以焊缝的焊接质量对转向系统性能的影响是至关重要的。为了缩减优化计算量，本文仅在单独转向系统中进行分析和优化，具体如图1所示。

图1某车型转向系统模型

 （1）网格划分

 模型板壳件采用四边形单元模拟，实体采用六面体模拟，焊点由ACM单元模拟，焊缝采用CWELD单元，平均单元尺寸5cm╳5cm，模型单元总数71493个，节点总数104678个。

 （2）边界条件

 约束转向系统和车身连接安装孔的六个方向自由度。

图2转向系统边界条件

 3、优化分析

 本次优化的目的在焊缝成本最低的前提下，保证转向系统的一阶垂向模态和一阶横向模态不低于初始设计值。

 （1）拓扑优化原理

 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题。目前常用的结构拓扑优化方法有：变厚度法、变密度法及均匀化方法。变厚度法的数学模型简单，但优化对象受到很大的限制。变密度法是人为的建立一种材料密度与材料特性之间的关系，拓扑优化计算以后得到单元的密度值为0或1，拓扑优化结构比较清晰。均匀化方法是最为流行的方法，拓扑优化后单元的密度值是介于0～1之间的连续值，得到的是一种比较模糊的拓扑结构。

 变密度法用于一维单元的拓扑优化，目前可以采用的单位为杆单元、梁单元、弹簧单元和焊接单元。一般来说，优化的解会涉及到大量的中间密度的单元，这就需要用到罚函数来判断单元的密度。通常用到的是基于单元弹性特征的能量法则，公式如下：

公式1基于单元弹性特征的能量法则

 （2）优化分析结果处理

 通过以上优化变量的设置提交OptiStruct计算，可以得出图中焊缝的合理布置形式，图中密度越大代表该处焊缝越重要，通过file-run-commandfile命令可以导入计算的结果文件.cmf，可以在HyperMesh中显示出关键焊缝。

图3拓扑优化结果

 （3）优化验证分析

 根据焊缝拓扑优化分析结果，共识别6条敏感焊缝，具体如下图4所示。结合工程化经验对6条焊缝的焊接长度及质量重新进行分布和控制，经验证分析结果如下

图4关键焊缝分布图

表1转向系统模态计算结果

 通过上表分析结果可以看出，CCB上的关键焊缝的焊接质量（包括焊接长度和焊接位置）对转向系统的模态影响很大，如果在生产过程中对关键焊缝质量控制不好将影响转向系统模态至少2Hz，造成设计和生产的一致性差导致NVH问题产生。

 4、结论

 本文通过OptiStruct的拓扑优化方法获得了每条焊缝对转向系统模态的贡献量，从贡献量的排列密度选择关键焊缝，并对焊缝的长度进行优化。结果表明，控制关键焊缝的焊接质量可以有效控制设计和生产的一致性，并降低工人的操作难度。

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