成功案例丨汽车塑料尾门模态分析优化及对标

汽车轻量化一直备受关注，也是节能减排的重要环节。汽车尾门以塑代钢备受青睐，而塑料尾门在总多性能指标（如模态、刚强度、热变形、蠕变、顶起量、猛关、耐久等）中，模态性能往往最难达到目标值，因此，研究汽车塑料尾门模态尤为重要。

本文采用Altair HyperWorks自带的OptiStruct求解器对汽车塑料尾门进行模态分析及优化，最终与试验对标。

研究结果表明：通过结构不断优化，从初始结果20.1Hz提升至27.4Hz，满足功能指标≥27Hz；通过尺寸优化可对尾门内板减重1045g，不仅达到轻量化目标，同时满足模态指标；仿真分析与试验结果一阶模态值误差仅0.8%，具有极高的准确度。

一、背景

汽车轻量化一直备受关注，从前端至尾门，逐渐朝着以塑代钢的趋势发展。传统汽车的尾门采用钣金结构，不仅重量大，而且造型简单。目前，很多主机厂考虑研发塑料尾门替代钣金尾门，不仅可以减轻重量，而且造型可实现多样化，更能适合大众审美观。但是塑料尾门想要达到钣金尾门的所有力学性能指标，其结构设计难度远大于钣金结构设计。

塑料尾门的力学性能包括模态、表面抗凹、整体刚度（弯曲刚度和扭转刚度）、热变形、顶起量、安装点刚度、蠕变、猛关、开闭耐久等工况，而其中的模态指标通常是最难通过的。因此，本文重点研究塑料尾门的模态（即一阶固有频率）。通过对塑料尾门进行结构优化以满足尾门模态指标，最终与试验对标，以验证仿真分析的可靠性。

本文采用AltairOptiStruct求解器对汽车塑料尾门进行模态分析及优化，最终与试验对标。研究结果表明：1、通过结构不断优化，从初始结果20.1Hz提升至27.4Hz，满足功能指标≥27Hz；2、通过尺寸优化可对尾门内板减重1045g，不仅达到轻量化目标，同时满足模态指标；3、仿真分析与试验结果一阶模态值误差仅0.8%，具有极高的准确度。

二、产品介绍

塑料尾门总成包括内板、外板、挡风玻璃、粘胶、锁总成、铰链总成、左右嵌件钣金、锁嵌件钣金、撑杆、撑杆加强板、密封条、缓冲块、贯穿灯、尾翼（选配）、大灯、线束、上下护板等，其中内板与外板通过粘胶连接，外板与挡风玻璃通过玻璃胶粘接。其总成装配如图1所示：

图1 塑料尾门总成图

三、模态分析

3.1 模态理论

模态计算为自由振动，因此模态计算的有限元控制方程：

式中：[M]-总体质量矩阵，[C]-总体阻尼矩阵，[K]-总体刚度矩阵，在实际的工程应用中，大部分的结构阻尼较小，因此可以忽略上式中的阻尼矩阵（阻尼比超过0.2的结构，必须考虑），则上式可以变为：

由于模态计算中，认为结构是线性的，即具有恒定的总体质量矩阵和总体刚度矩阵，因此可以假设上式通解形式为：

将(3)式代入(2)式，则可以将时间变量消除，得到：

上述方程成立只有：

由上述方程式可以看出，影响模态的因素主要为以下五点：①材料属性；②结构特征；③连接刚度；④约束方式；⑤预应力。

3.2 仿真分析前处理

3.2.1 材料

塑料尾门内板材料为PP+LGF40，其材料物性采用玻纤45°方向下参数；外板材料为PP+EPDM-TD30，密封条采用CUBSH单元模拟，其刚度值为0.217N/mm，缓冲块也采用CBUSH单元模拟，其刚度值为50N/mm，材料参数如表1所示。

产品名称	材料种类	杨氏模量/GPa	泊松比	密度t/mm³
内板	PP+LGF40	5237	0.34	1.22×10⁻⁹
外板	PP+EPDM-TD30	2261.4	0.34	1.16×10⁻⁹
钣金件	DC01	210000	0.30	7.85×10⁻⁹
后挡风玻璃	Glass	72000	0.30	2.70×10⁻⁹
玻璃胶	Glass_Glue	8	0.47	1.20×10⁻⁹
后背门胶水	Glue	6.6	0.40	1.40×10⁻⁹

表1 塑料尾门材料参数

3.2.2 网格模型

塑料尾门内板和外板均采用中面四边形网格，基于HyperMesh软件进行前处理。网格基本尺寸为5mm，网格质量标准如图2所示。玻璃胶和粘胶均采用六面体网格，贯穿灯、线束、上下护板等采用质量质心模拟，网格总成模型如图3所示。

图2 网格质量标准图

图3 网格总成模型图

3.2.3 载荷工况

铰链与车身钣金连接端采用固定约束，铰链与内板连接端释放轴向转动自由度，锁扣约束123自由度，采用EIGRL模态分析法，提取前10阶模态。

3.3 仿真分析后处理

塑料尾门总成模型搭建完成后，提交OptiStruct求解分析，最后在HyperView中进行后处理，塑料尾门总成模态及振型如图4所示：

图4 塑料尾门总成模态及振型图

由图4可知，一阶模态为局部模态，值为20.1Hz，表现为中外板上端局部摆动；二阶模态为全局模态，值为24.0Hz。因此，一阶模态远低于目标值≥27Hz，不满足要求，需要对其结构进行优化。

四、结构优化

由模态结果可知，中外板上端为悬臂结构，因此会有局部摆动，取消此结构，改为上外板与内板本体上端通过粘胶连接，同时尾门总成上端搭载玻璃及高刹灯，配重较重，因此，尾门内板上端需要增加加强筋以提高上端局部刚性。由于塑料尾门下部分被贯穿灯分割为两部分，形成断差，因此通过搭接、加筋、粘胶等方式对内板进行整体优化，优化后的内板总成如图5所示：

图5 塑料尾门内板优化后示意图

对优化后的塑料尾门总成进行重新建模并再次提交OptiStruct进行分析，分析结果如图6所示：

图6 优化后的塑料尾门总成模态及振型图

由图6可知，一阶模态为全局模态，值为28.3Hz，高于目标值≥27Hz，满足要求。

五、尺寸优化

由于轻量化目标，因此对塑料尾门结构进行尺寸优化以达到减重目的。由模型结果可知，塑料尾门上部分刚度值相对下部分较低，对模态影响较大，且上部分刚好满足模态指标，因此，尾门上部分不作为优化方向，尾门尺寸优化主要集中在尾门内板下部分。

设计变量（Design Variables）：尺寸变量分为多个区域，不同区域尺寸范围不一致，比如主面尺寸优化变量范围为2.2～2.5mm，筋的尺寸优化变量范围为2.0～2.5mm，如图7所示。

• 定义优化响应（Optimization Response）：创建频率响应（一阶）和体积响应。
• 定义优化约束（Optimization Costraints）：设置一阶固有频率最低值为27Hz。
• 定义目标值（Objectives）：设置总体积最小。

图7 设计变量分布图

尺寸优化设置完成后提交OptiStruct计算，优化分析结果如图8所示：

图8 尺寸优化单元厚度分布图

由图8可知，主面立面料厚可减至2.2mm，其余面可减至2.0mm，加强筋厚度可减至2.0mm，优化后的内板总共减重1045g。尺寸优化后的塑料尾门总成模态及振型图如图9所示：

图9 尺寸优化后的塑料尾门总成模态及振型图

由图9可知，一阶模态为全局模态，值为27.4Hz，高于目标值≥27Hz，满足要求。

备注：由于论文篇幅有限，最终的尺寸优化后的塑料尾门的力学性能，包括模态、表面抗凹、整体刚度（弯曲刚度和扭转刚度）、热变形、顶起量、安装点刚度、蠕变、猛关、开闭耐久等工况最终都是经过CAE仿真分析，计算结果全部满足要求。

六、试验结果

考虑到环境件影响，单独做工装模拟白车身势必会增加刚性，造成误差偏大。因此，为了准确测得塑料尾门一阶整体模态，主机厂采用将塑料尾门搭载至整车上进行模态试验，这样试验结果则更为可靠。由于试验涉及整车图片，存在一定保密性，因此，无法展示试验过程，试验结果如图10所示：

图10 一阶整体模态试验结果

由图10可以看出，塑料尾门一阶总成模态为27.1Hz，高于目标值≥27Hz，满足要求。

七、仿真与试验对标

由尺寸优化得到的终版塑料尾门总成一阶固有频率与试验结果对比，如表2所示：

分析方法	有限元	试验	误差
塑料尾门总成一阶整体固有频率/Hz	37.4	37.1	0.8%

表2 尺寸优化得到的终版塑料尾门总成一阶固有频率与试验结果对标

由表2可知，仿真分析结果与试验结果误差仅0.8%，具有极高的准确度。

八、结论

通过运用Altair OptiStruct求解器对汽车塑料尾门进行模态分析及优化，并与试验对标，取得以下成果：

① 通过结构不断优化，从初始结果20.1Hz提升至27.4Hz，满足功能指标≥27Hz；

② 通过尺寸优化可对尾门内板减重1045g，不仅达到轻量化目标，同时满足模态指标；

③ 仿真分析与试验结果一阶模态值误差仅0.8%，具有极高的准确度；

④ 运用OptiStruct对塑料尾门进行仿真分析，可大大提高产品性能，降低产品重量，缩短产品开发周期，节约成本，最终提升产品在市场中的竞争力。

备注：本文只展示了塑料尾门模态分析过程，仿真分析同步是分析了其他工况的，比如表面抗凹、整体刚度（弯曲刚度和扭转刚度）、热变形、顶起量、安装点刚度、蠕变、猛关、开闭耐久等，且这些工况均满足目标要求，最终尺寸优化后的数据也是进行仿真验算了所有工况的，且全部合格。

九、展望

一直以来，不管是塑料尾门，或者其他塑料件产品，冷热交变循环试验后，产品往往容易出现开裂、下塌、尺寸超差等一系列问题，目前新版本的OptiStruct具备此功能，所以，后续会通过相关实际产品案例与试验相结合，通过OptiStruct软件仿真提前识别风险。

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