顶盖横梁是电动车顶盖总成的主要部分，顶盖横梁结构不仅能提升车身刚度、强度性能，同时为顶盖提供支撑，降低顶盖在电泳及雪压工况的变形。杜青采用有限元法对某MPV车型的顶盖雪压强度进行分析及优化；王玉恒利用有限元分析的方法对顶盖总成进行模态和空气动力学分析，解决顶盖振动异响问题；高云凯为了实现汽车结构轻量化，采用镁合金冲压件来代替传统钢结构顶盖横梁，并进行仿真分析，确定该方案的可行性；郑宏立通过仿真分析，将某轿车顶盖前横梁结构由双层板改为单层板。
上述文献是为了解决顶盖雪压强度、异响及轻量化等问题进而对顶盖进行仿真分析。本文是基于有限元分析及参数化优化技术，解决某电动车型顶盖总成的制备及装配到车身过程中，顶盖横梁与顶盖间胶粘出现图1所示的失效问题。首先，通过对顶盖总成制备及装配到车身过程进行仿真分析，并且与实车装配结果进行对比，确定顶盖横梁与顶盖间胶粘失效原因。然后基于SFE concept软件，搭建该电动车型顶盖总成参数化模型，基于参数化模型对横梁位置、截面尺寸、料厚进行参数化优化，降低顶盖横梁与顶盖间隙。然后对顶盖总成制备及装配过程的工艺进行优化，进一步降低顶盖横梁与顶盖间隙。最后通过实际装配情况，确定优化方案满足要求。
图 1 顶盖横梁胶粘失效现象
有限元建模及仿真分析
有限元模型建立
采用CATIA三维软件建立顶盖总成的几何模型，在运用 Hyperworks 前处理软件对顶盖总成进行几何清理，最后按照有限元网格划分规范采用 8mm 的 Mixed 单元进行网格划分，尽量保持规整的四边形单元，允许少量的三角形单元，其中四边形单元最大角度≤130°,三角形网格单元最大角度≤120°，单元数量为,52900，节点数量为 53918。顶盖横梁与顶盖内部采用胶粘进行连接，顶盖横梁与顶盖边缘搭接位置采用点焊进行连接，顶盖总成有限元模型见图 2。
图 2 顶盖总成有限元模型
胶粘失效原因分析
在顶盖总成制备及装配过程中，上图 2所示P1处横梁与顶盖间胶粘发生失效问题，其余四个横梁胶粘均为失效。该顶盖总成制备及装配流程包括：顶盖横梁涂胶→顶盖与横梁焊接→顶盖总成放置台架→工人手持搬运→机械吸盘装配到车身。
基于1.1中建立的顶盖总成有限元模型，模拟分析顶盖总成在放置台架、手持搬运及装配车身三个工况，顶盖横梁与顶盖间隙。上述三个工况在图 3 所示位置的约束123456 自由度。分析结果见表 1。
图 3 约束位置
表 1 分析结果
根据表 1 所示分析结果，顶盖总成在放置台架及手持搬运工况，P1 处横梁与顶盖间隙明显高于其他横梁与顶盖间隙。其他横梁与顶盖间隙最大为 0.35mm，且其他横梁与顶盖间胶粘均未失效，因此 P1 处顶盖横梁与顶盖间隙目标值为 0.35mm。
顶盖横梁结构优化
顶盖总成参数化模型建立
SFE concept 软件通过基点、基线和截面描述车身几何形状，通过映射关系建立零件之间的参数化连接关系，完成整车的全参数化模型搭建。所有参数互相关联，因此通过控制基点、基线的曲率以及截面尺寸即可改变零件的位置、曲率及截面形状，且周边相关零件及连接关系发生相应变化，保证连接的完整和正确。
利用 SFE concept 软件基于 1.1 中建立的有限元模型搭建顶盖总成参数化模型。顶盖总成参数化模型见图 4。为保证后续基于参数化模型方案优化的有效性，对比参数化模型与有限元模型的仿真精度，经对比，参数化顶盖总成在上述 3 个工况仿真精度在97%以上，满足精度要求，可用于优化顶盖横梁结构。详细精度对比见表 2。
图 4 顶盖总成参数化模型
表 2 参数化模型精度对比
顶盖横梁结构优化
利用参数化模型可通过控制参数变化实现顶盖横梁位置、截面尺寸、料厚变化，并保证模型连接关系正确的特点。参照布置条件，定义图 5 所示变量。变量范围见表 3。
图 5 变量定义
表 3 变量范围
注：位置变量与截面变量为连续值，料厚变量为离散值。
在 ISIGHT 软件中搭建试验设计流程如图 6 所示，采用优化拉丁超立方算法生成 60个计算样本，按照每个样本对应的变量值，使用 ISIGHT 软件驱动 SFE 软件，修改参数化模型位置变量、截面变量、料厚变量并生成有限元模型。依据不同工况进行性能计算并提取计算结果，采用响应面法构造如式（1）所示的二阶多项式代理模型。
图 6 试验设计流程
工程中，一般取调整系数����2评价近似模型拟合精度，调整系数公式如式（2）所示。调整系数大于 0.9 时，代理模型精度可替代仿真模型，代理模型精度误差见表 4。
式中：n 为检验样本点数目；yi为第 i 个响应的仿真值；i为第 i和响应的近似模型预测值；y为仿真值的平均值。
表 4 代理模型误差精度
基于代理模型，寻求顶盖横梁与顶盖间隙最小的变量组合，构造优化模型如式（3）所示。
式 中：y（x1，x2，...，xn） 为 代理模型 ，x1，x2，...，xn为变量；M（x）为优化空间重量，M（x）为优化空间目标重量；（x）分别是放置台架工况顶盖横梁与顶盖间隙、手持搬运工况顶盖横梁与顶盖间隙、装配车身工况顶盖横梁与顶盖间隙。优化后性能结果如表 5 所示。雪压等其他工况满足要求。
表 5 结构优化结果
装配工艺优化
上表 5 所示分析结果中，通过对顶盖横梁结构进行参数化优化，顶盖横梁与顶盖间隙明显降低，但仍高于目标值，而在装配车身工况，P2 处横梁与顶盖间隙小于目标值，因此接下来考虑对顶盖总成制备及装配工艺进行参数化优化。
参照图 7 所示台架模型及手持搬运位置，建立图 8 所示参数化刚性单元模拟台放置台架及手持搬运位置，通过定义位置变量，控制上述位置在顶盖周边移动。
图 7 台架模型
图 8 放置及搬运位置参数化模型
考虑实际工艺的可行性，在定义放置位置变量时，应控制对称的放置位置同步变化，在定义搬运位置变量时，两个手持搬运点间距应保持不变。放置及搬运位置参数化优化流程同上述 2.2 优化流程一致。经过对放置及搬运位置进行优化，顶盖横梁与顶盖间隙满足性能要求，详细结果见表 6，优化后支架位置及工人手持搬运位置见下图 9、图 10。
图 9 优化后工艺位置
图 10 实际生产
表 6 工艺优化结果
结论
某电动车顶盖横梁与顶盖间胶粘出失效问题。结合顶盖总成制备及装配到车身过程，设计仿真分析工况，并且与实车装配结果进行对比，确定顶盖横梁与顶盖间胶粘失效原因。基于参数化优化技术，建立顶盖参数化模型，对顶盖横梁结构及顶盖总成制备、装配工艺进行优化，最终解决顶盖横梁胶粘失效问题。
资料来源：达索官方
