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。
表1 车门各性能及目标值
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。
图1 参与拓扑优化的零件图
表2 可以优化的零件
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。
表3 拓扑优化约束值
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。
在HyperMesh里完成拓扑优化模型的前处理后，将模型递交Optistruct求解器进行优化计算。
2.3 拓扑优化结果
用HyperView察看拓扑优化的密度分布图。下列均隐藏了不参与优化的零件。
从图2可以看出，内板上密度分布相对较均匀，且密度分布基本在0.5以上，密度在0.2以下的区域不多，减重空间不大。
图2 优化后内侧图
从图3则可以看出，区域1和区域2的密度较低，两个区域的密度分布大多在0.25以下，是可以挖孔或者减薄的地方。其中内板中部内加强板整块板上的密度分布都较少，仅有少量区域密度分布较多(如图4所示)，因此，此零件是轻量化重点零件，可以尝试取消此零件，或者进行大范围挖孔。铰链加强板的密度分布如图5所示，下铰链安装板密度分布如图6所示，根据云图，可以适当减小这两个零件的尺寸或者厚度。
图3 优化后外侧图
图4 内板中部内加强板拓扑优化密度云图
图5 铰链加强板拓扑优化密度云图
图6 下铰链安装板拓扑优化密度云图
从拓扑优化结果来看，具有大的减重空间的零件为门把手加强板、外板加强板、内板中部内加强板、铰链加强板和下铰链安装板。实际上，门把手加强板是加强门把手处的局部刚度，不可取消，只可进行厚度优化。铰链加强办、外板加强板、下铰链安装板也不具备取消的条件，只可厚度优化。内板中部内加强板具备取消的条件，并且此零件无其他特殊功能，因此是整体取消的潜在零件。
2.4 轻量化的具体方案
从拓扑优化的结果来看，内板中部内加强板是重点减重零件。轻量化方案即是将内板中部内加强板取消，适当修改内板中部外加强板的结构，然后对剩余其它车门零件进行厚度优化，使得车门性能满足已定的目标值。
第一步即取消零件内板中部内加强板。此零件初始厚度为1.75mm，质量为2.142kg。
第二步修改内板中部外加强板结构，车门初始状态内板带线处结构外视图如图7所示，截面图如图8所示。从图中可以看出，内板中部内加强板上沿与内板上沿平齐，使得内板带线刚度加载位置处有两块板支撑。取消内板中部内加强板后，带线处加载位置就只有内板起支撑作用，如此必将导致变形迅速增大。为避免这种情况发生，必须将内板中部外加强板上沿升高，使得其上沿也与内板上沿平齐，如此加载位置处仍有两块零件支撑。
图7 初始状态内板带线处外视图
图8 初始状态内板带线处截面图
修改结构之后内板带线处结构外视图(即从车门外板向车门内板方向看)如图9所示，内板带线处只剩两块钣金，即内板和内板中部外加强板图。截面图如图10所示。
图9 修改结构后内板带线处外视图
图10 修改结构后内板带线处截面图
2.5 修改结构后的厚度优化
经过拓扑优化取消内板中部内加强板后，车门性能可能发生了变化，因此需要对车门系统剩下的零件进行厚度优化，保证车门性能不降低。厚度优化也采用Optistruct软件。
(1)设计变量
厚度优化的设计变量少了零件内板中部内加强板，表4中列出了参与厚度优化的零件名称和初始厚度。
厚度优化总共选取了12个零件作为设计变量，每个设计变量的初始值为各板件的初始厚度，各板件厚度下限均设为0.5mm，上限均设为3.5mm。
表4 参与厚度优化的零件
(2)约束条件
为了保证车门性能达到已定的目标值，厚度优化的约束条件不能超过目标值。本次厚度优化中，7个刚度工况的约束条件设为位移不大于目标值，两个频率的约束条件设为不小于目标值，如表5所示。
表5 厚度优化的约束条件
(3)目标函数
本次厚度优化的最终目的是对车门进行轻量化设计，因此目标函数设定为使车门质量最小。
(4)优化结果
经过Optistruct优化计算后可以得到参与厚度优化的零件的最优厚度。实际上零件厚度一般只能精确到小数点后两位，因此必须对软件厚度优化的输出结构进行工程修正，最终结果如表6。
车门初始状态质量为24.17kg，优化后的最终结果车门质量为22.34kg。减重1.83 kg，或减重7.57%。
表6 厚度优化的最终结果
3 轻量化方案的对比验证
3.1 刚度验证
将修正后的厚度赋予对应的零件，重新计算修正过后的模型的刚度。结果如表7：
表7 刚度验证结果
从表7中可以看出，除内板带线刚度降低外其余刚度均比初始状态有所提高。内板带线刚度性能虽有较大降低，但由于车门初始的内板带线刚度性能很高，有非常大的富余，且该方案的内板带线刚度未超过目标值，仍具有减重空间。优化后相对车门初始状态减重1.83kg，减重比达到7.57%，综合整体性能来看，减重效果比较明显。
3.2 模态验证
将修正后的厚度赋予对应的零件，重新计算修正过后的模型的模态。结果如表8所示：
表8 模态验证结果
从表8可以看出，整体弯曲模态频率比初始状态有所提高，整体扭转模态频率比初始状态稍有下降。
4 结论
本文在已知某车门仿真性能的基础上（包括刚度性能和模态性能）借助OptiStruct对车门进行了拓扑优化，对拓扑优化的结果进行进一步的分析得到了轻量化的初始方案：取消内板中部内加强板，修改内板中部外加强板结构，很多零件的厚度可以减薄。然后对剩余零件用依然Optistruct进行厚度优化，从而得到了轻量化的最终方案。
为了评价轻量化方案是否可行，本文最后用有限元方法模拟分析了车门轻量化后的方案，并与初始性能进行对比，对比结果显示在质量减少了7.57%的情况下，刚度和模态性能均有不同程度的提高。从而可以得出结论：此轻量化方案可行。
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本文标题：基于拓扑优化的某微型车车门轻量化研究
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