1建模与受力分析
门盖在工作时与汽车壳体之间的接触过程非常复杂，不仅涉及到接触、大位移、大变形等非线性问题，而且由于不同车型的汽车外壳结构不同，选用的材料也不同，所以研究时必须考虑汽车壳体模型.由于研究的主体是门盖，而推动门盖的主动力已知，汽车壳体只是力传递的边界条件，所以引入汽车壳体的简化模型.汽车壳体采用一般小轿车大小4500×1750×1300的简化模型，其材料模型采用线弹性模型，弹性模量取相比结构钢较小的值，这样既可以模拟在压缩过程中出现的较大变形，又避免引入材料非线性影响计算效率，同时对门盖的应力和变形计算影响很小..根据门盖的结构形式和特点，CAE建模时采用壳单元（ShellElement）来划分网格.在不影响分析结果的前提下对门盖进行了必要的简化，如忽略了螺纹孔、圆角及倒角等特征，从而提高有限元模型的质量、减小模型的计算规模.分析模型如图2所示.
2有限元分析
门盖闭合过程中，门盖与汽车壳体之间存在接触非线性.同时，工作过程中汽车壳体的刚度不是恒定的，它随着变形的大小而变化，即存在几何非线性.因此本文作SOL601，106高级非线性静力学分析.非线性分析和线性分析相比，非线性分析的计算时间和计算机存储量要大得多，而且在数值计算方法和求解参数的设定上有较大区别[2].边界条件包括载荷、约束和仿真对象[3].在门盖的左右轴套上分别施加轴承力，力的大小为800KN，方向为沿着油缸的轴向，指向门盖.在汽车壳体的底部作固定约束、门盖的旋转轴处作销钉约束.同时，忽略门盖组件各结合面之间的接触变形，近似将各接触部分看作刚性接触，在FEM下为门盖的各边、面之间添加1D连接[4-5].门盖与汽车壳体之间的接触是非线性的，在仿真模型下，定义高级非线性接触，汽车壳体作为“源区域”，门盖底板作为“目标区域”，“接触参数”保持默认.有限元计算模型如图3所示，分析结果如图4所示（只显示门盖）.根据图形可知门盖最大等效应力为170.76MPa.应力主要集中在门盖的左右轴套上，即油缸与门盖连接处.门盖的材料为Q235号钢，屈服强度为235MPa，可见在该工况下门盖满足强度要求.
3优化设计
有限元分析的最终目的是进行优化设计，现在需要对门盖结构进行优化，优化的目标是模型的重量最小[6-7].约束条件是在不改变门盖模型网格划分、边界约束和载荷大小，并能满足强度要求的前提下，控制最大等效应力值不超过材料屈服强度的70%（约165MPa）.
3.1筋板的布置
根据分析结果可知，应力主要分布在左右轴套处，大部分的筋板受力极小，因此，可通过布置筋板的分布进行优化设计.为便于加工和装配，门盖筋板布置采用均匀分布的方式.设计变量为筋板的数量，原结构中单行设置的筋板数量为10，考虑减重的目标及结构的稳定性，取筋板数量为3-7.图5为筋板数量与门盖最大应力和位移关系，图6为不同筋板数量对应底板的应力分布图.结果表明筋板数量对门盖的最大应力（轴套处）影响较小，对门盖底板的应力分布位置影响较大.底板最大应力发生在门盖油缸轴线方向上的临近筋板与主横筋板接触处，最大应力为N=4时σmax=61.52MPa.综合考虑最大应力、最大位移和底板的应力分布，以及实现减重的目的，确定新结构的筋板数量为4.
3.2筋板厚度的优化
3.2.1灵敏度分析
灵敏度分析是为优化设计做铺垫.通过灵敏度分析可以确定模型各参数对输出结果影响的大小.在模型校正过程中重点考虑对输出结果影响较大的参数，排除那些对输出结果影响很小的参数，这将在很大程度上减小模型校正的工作量，提高优化设计的效率[8-9].NX高级仿真中几何优化模块下提供了全局灵敏度解算方案.设计目标为门盖的重量最小，约束条件为门盖的最大应力，设计变量为筋板厚度.为便于加工与安装，门盖结构中相同结构的尺寸应保持一致.筋板厚度参数主要包括底板厚度T1、主横筋板厚度T2、横筋板厚度T3、竖筋板厚度T4、轴套厚度T5、前板厚度T6、门盖耳套帮板厚度T7和其他筋板厚度T8.对上述筋板厚度进行全局灵敏度分析，获得各参数对设计目标影响的全局灵敏度曲线，最后将所有灵敏度曲线调整到一幅图表中进行比较，根据各参数的全局灵敏度曲线的斜率大小判断设计参数对设计目标的灵敏程度，最终确定T1、T2、T3、T4.根据各参数对约束条件的影响曲线，确定T5.全局灵敏度曲线如图7所示.由图7（a）可知底板、主横筋板、横筋板及竖筋板的厚度对门盖的重量影响较大，其中底板的影响最大.由图7（b）可知轴套的厚度对约束条件的影响最大.为提高门盖强度以及减轻门盖的重量，主要对底板、主横筋板、横筋板、竖筋板厚度进行减小，同时适当增加轴套的厚度.
3.2.2尺寸优化
尺寸优化是建立在数学规划论的基础上，在满足给定条件下达到最佳经济技术指标[10].NX高级仿真结构优化的解算器采用的是美国Altair公司的AltairHyperOpt，它拥有高效、强大的设计优化能力.结合以上分析结果，进行筋板数量等于4时筋板厚度的优化分析.在“几何优化”对话框中作如下设置：①定义目标：重量定为最小；②定义约束：门盖上的最大等效应力为165MPa；③定义设计变量见表1；④控制参数：选择最大迭代次数为20.经解算，找到最佳方案：底板厚度由原来的52mm修改为45mm，主横筋板厚度由原来的50mm修改为45mm，横筋板厚度由原来的25mm修改为20mm，竖筋板厚度由原来的20mm修改为16mm，轴套厚度由原来的34.5mm修改为35.2mm，为了便于生产，将轴套的厚度圆整为35.5mm.优化后与优化前的分析结果对比见表2.从计算结果可看出，优化后的门盖强度得到明显提高.另外，重量由原来的10496kg降低为8786kg，减重17.2%，取得了优化设计的预期效果.
4结论
通过对汽车打包机门盖的有限元计算模型进行非线性分析，得出了门盖在额定载荷下的应力和位移情况.从门盖的应力云图的动态显示过程可直观地找出门盖的薄弱环节，为门盖的结构优化提供了依据.通过对门盖主要设计参数的全局灵敏度分析，给出了对门盖重量影响较大的参数，提高了优化设计的效率.通过对门盖结构的优化设计，提高了门盖的强度，减轻了重量，降低了生产成本，取得了优化设计的预期效果.
作者：张婷 章泳健 戴国洪 单位：江苏理工学院 常熟理工学院 江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室