頂蓋橫梁是電動車頂蓋總成的主要部分，頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)不僅能提升車身剛度、強度性能，同時為頂蓋提供支撐，降低頂蓋在電泳及雪壓工況的變形。杜青采用有限元法對某MPV車型的頂蓋雪壓強度進行分析及優(yōu)化；王玉恒利用有限元分析的方法對頂蓋總成進行模態(tài)和空氣動力學分析，解決頂蓋振動異響問題；高云凱為了實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化，采用鎂合金沖壓件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)頂蓋橫梁，并進行仿真分析，確定該方案的可行性；鄭宏立通過仿真分析，將某轎車頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)由雙層板改為單層板。

上述文獻是為了解決頂蓋雪壓強度、異響及輕量化等問題進而對頂蓋進行仿真分析。本文是基于有限元分析及參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)，解決某電動車型頂蓋總成的制備及裝配到車身過程中，頂蓋橫梁與頂蓋間膠粘出現(xiàn)圖1所示的失效問題。首先，通過對頂蓋總成制備及裝配到車身過程進行仿真分析，并且與實車裝配結(jié)果進行對比，確定頂蓋橫梁與頂蓋間膠粘失效原因。然后基于SFE concept軟件，搭建該電動車型頂蓋總成參數(shù)化模型，基于參數(shù)化模型對橫梁位置、截面尺寸、料厚進行參數(shù)化優(yōu)化，降低頂蓋橫梁與頂蓋間隙。然后對頂蓋總成制備及裝配過程的工藝進行優(yōu)化，進一步降低頂蓋橫梁與頂蓋間隙。最后通過實際裝配情況，確定優(yōu)化方案滿足要求。

圖 1 頂蓋橫梁膠粘失效現(xiàn)象

有限元建模及仿真分析

有限元模型建立

采用CATIA三維軟件建立頂蓋總成的幾何模型，在運用 Hyperworks 前處理軟件對頂蓋總成進行幾何清理，最后按照有限元網(wǎng)格劃分規(guī)范采用 8mm 的 Mixed 單元進行網(wǎng)格劃分，盡量保持規(guī)整的四邊形單元，允許少量的三角形單元，其中四邊形單元最大角度≤130°,三角形網(wǎng)格單元最大角度≤120°，單元數(shù)量為,52900，節(jié)點數(shù)量為 53918。頂蓋橫梁與頂蓋內(nèi)部采用膠粘進行連接，頂蓋橫梁與頂蓋邊緣搭接位置采用點焊進行連接，頂蓋總成有限元模型見圖 2。

圖 2 頂蓋總成有限元模型

膠粘失效原因分析

在頂蓋總成制備及裝配過程中，上圖 2所示P1處橫梁與頂蓋間膠粘發(fā)生失效問題，其余四個橫梁膠粘均為失效。該頂蓋總成制備及裝配流程包括：頂蓋橫梁涂膠→頂蓋與橫梁焊接→頂蓋總成放置臺架→工人手持搬運→機械吸盤裝配到車身。

基于1.1中建立的頂蓋總成有限元模型，模擬分析頂蓋總成在放置臺架、手持搬運及裝配車身三個工況，頂蓋橫梁與頂蓋間隙。上述三個工況在圖 3 所示位置的約束123456 自由度。分析結(jié)果見表 1。

圖 3 約束位置

表 1 分析結(jié)果

根據(jù)表 1 所示分析結(jié)果，頂蓋總成在放置臺架及手持搬運工況，P1 處橫梁與頂蓋間隙明顯高于其他橫梁與頂蓋間隙。其他橫梁與頂蓋間隙最大為 0.35mm，且其他橫梁與頂蓋間膠粘均未失效，因此 P1 處頂蓋橫梁與頂蓋間隙目標值為 0.35mm。

頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

頂蓋總成參數(shù)化模型建立

SFE concept 軟件通過基點、基線和截面描述車身幾何形狀，通過映射關(guān)系建立零件之間的參數(shù)化連接關(guān)系，完成整車的全參數(shù)化模型搭建。所有參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，因此通過控制基點、基線的曲率以及截面尺寸即可改變零件的位置、曲率及截面形狀，且周邊相關(guān)零件及連接關(guān)系發(fā)生相應變化，保證連接的完整和正確。

利用 SFE concept 軟件基于 1.1 中建立的有限元模型搭建頂蓋總成參數(shù)化模型。頂蓋總成參數(shù)化模型見圖 4。為保證后續(xù)基于參數(shù)化模型方案優(yōu)化的有效性，對比參數(shù)化模型與有限元模型的仿真精度，經(jīng)對比，參數(shù)化頂蓋總成在上述 3 個工況仿真精度在97%以上，滿足精度要求，可用于優(yōu)化頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)。詳細精度對比見表 2。

圖 4 頂蓋總成參數(shù)化模型

表 2 參數(shù)化模型精度對比

頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用參數(shù)化模型可通過控制參數(shù)變化實現(xiàn)頂蓋橫梁位置、截面尺寸、料厚變化，并保證模型連接關(guān)系正確的特點。參照布置條件，定義圖 5 所示變量。變量范圍見表 3。

圖 5 變量定義

表 3 變量范圍

注：位置變量與截面變量為連續(xù)值，料厚變量為離散值。

在 ISIGHT 軟件中搭建試驗設計流程如圖 6 所示，采用優(yōu)化拉丁超立方算法生成 60個計算樣本，按照每個樣本對應的變量值，使用 ISIGHT 軟件驅(qū)動 SFE 軟件，修改參數(shù)化模型位置變量、截面變量、料厚變量并生成有限元模型。依據(jù)不同工況進行性能計算并提取計算結(jié)果，采用響應面法構(gòu)造如式（1）所示的二階多項式代理模型。

圖 6 試驗設計流程

工程中，一般取調(diào)整系數(shù)????2評價近似模型擬合精度，調(diào)整系數(shù)公式如式（2）所示。調(diào)整系數(shù)大于 0.9 時，代理模型精度可替代仿真模型，代理模型精度誤差見表 4。

式中：n 為檢驗樣本點數(shù)目；yi為第 i 個響應的仿真值；i為第 i和響應的近似模型預測值；y為仿真值的平均值。

表 4 代理模型誤差精度

基于代理模型，尋求頂蓋橫梁與頂蓋間隙最小的變量組合，構(gòu)造優(yōu)化模型如式（3）所示。

式 中：y（x1，x2，...，xn） 為 代理模型 ，x1，x2，...，xn為變量；M（x）為優(yōu)化空間重量，M（x）為優(yōu)化空間目標重量；（x）分別是放置臺架工況頂蓋橫梁與頂蓋間隙、手持搬運工況頂蓋橫梁與頂蓋間隙、裝配車身工況頂蓋橫梁與頂蓋間隙。優(yōu)化后性能結(jié)果如表 5 所示。雪壓等其他工況滿足要求。

表 5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

裝配工藝優(yōu)化

上表 5 所示分析結(jié)果中，通過對頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化優(yōu)化，頂蓋橫梁與頂蓋間隙明顯降低，但仍高于目標值，而在裝配車身工況，P2 處橫梁與頂蓋間隙小于目標值，因此接下來考慮對頂蓋總成制備及裝配工藝進行參數(shù)化優(yōu)化。

參照圖 7 所示臺架模型及手持搬運位置，建立圖 8 所示參數(shù)化剛性單元模擬臺放置臺架及手持搬運位置，通過定義位置變量，控制上述位置在頂蓋周邊移動。

圖 7 臺架模型

圖 8 放置及搬運位置參數(shù)化模型

考慮實際工藝的可行性，在定義放置位置變量時，應控制對稱的放置位置同步變化，在定義搬運位置變量時，兩個手持搬運點間距應保持不變。放置及搬運位置參數(shù)化優(yōu)化流程同上述 2.2 優(yōu)化流程一致。經(jīng)過對放置及搬運位置進行優(yōu)化，頂蓋橫梁與頂蓋間隙滿足性能要求，詳細結(jié)果見表 6，優(yōu)化后支架位置及工人手持搬運位置見下圖 9、圖 10。

圖 9 優(yōu)化后工藝位置

圖 10 實際生產(chǎn)

表 6 工藝優(yōu)化結(jié)果

結(jié)論

某電動車頂蓋橫梁與頂蓋間膠粘出失效問題。結(jié)合頂蓋總成制備及裝配到車身過程，設計仿真分析工況，并且與實車裝配結(jié)果進行對比，確定頂蓋橫梁與頂蓋間膠粘失效原因?；趨?shù)化優(yōu)化技術(shù)，建立頂蓋參數(shù)化模型，對頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)及頂蓋總成制備、裝配工藝進行優(yōu)化，最終解決頂蓋橫梁膠粘失效問題。

資料來源：達索官方