魏顯坤，石英，唐清科

（1.重慶工商職業(yè)學院，重慶401520；2.重慶廣播電視大學，重慶401520；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400000；4.東風小康汽車有限公司，重慶400000）

基于Optistruct的保險杠橫梁拓撲優(yōu)化設計

魏顯坤1，2，石英3，唐清科4

（1.重慶工商職業(yè)學院，重慶401520；2.重慶廣播電視大學，重慶401520；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400000；4.東風小康汽車有限公司，重慶400000）

基于結構優(yōu)化軟件Optistruct，運用拓撲優(yōu)化方法，對某車保險杠橫梁結構進行了拓撲優(yōu)化設計，得到保險杠橫梁的初步結構，為進一步的尺寸優(yōu)化打下了基礎。

拓撲優(yōu)化；Optistruct；保險杠橫梁

汽車保險杠作為重要的被動安全裝置，對降低汽車低速碰撞事故中的損失有著重要作用。因此，對汽車保險杠橫梁進行結構優(yōu)化設計，提高吸能特性具有重要的意義。

掃描某車鋼制保險杠橫梁輪廓，根據(jù)數(shù)據(jù)云圖建立了保險杠有限元模型。用6061鋁合金替換低碳鋼，基于Optistruct軟件，運用拓撲優(yōu)化方法得到保險杠橫梁的初步結構，為下一步的尺寸優(yōu)化提供了基礎。

1 結構拓撲優(yōu)化的流程

結構優(yōu)化設計將工程結構設計與數(shù)學中的最優(yōu)化理論相結合，工程師在結構設計時，可從多種方案中快速找到最優(yōu)的設計方案，提高優(yōu)化設計的效率[1]。拓撲優(yōu)化問題就是在一定的區(qū)域內尋求最佳的材料分布問題[2-5]。拓撲優(yōu)化主要用于產品開發(fā)的概念設計階段，在結構形狀未定的情況下，根據(jù)邊界約束等條件優(yōu)化刪除低密度單元，為工程師提供最佳的材料分布，經過修改調整可初步確定零件的結構形狀，為詳細設計提供基礎，在結構優(yōu)化中得到廣泛應用。本文采用變密度法對保險杠橫梁進行拓撲優(yōu)化設計。

結構拓撲優(yōu)化的流程[6]，如圖1所示。

圖1 結構拓撲優(yōu)化流程

2 保險杠橫梁結構拓撲優(yōu)化

2.1 使用CATIA構建保險杠幾何模型

在CATIA軟件中導入三維掃描儀掃描某車鋼保險杠原型得到的點云數(shù)據(jù)，對點云預處理編輯后重組曲面，生成鋼保險杠的三維模型，如圖2所示。根據(jù)鋼制保險杠的外形幾何尺寸確定鋁合金保險杠的幾何尺寸。

圖2 鋼制保險杠幾何模型

2.2 使用HYPERMESH建立保險杠橫梁的有限元優(yōu)化模型

保險杠是軸對稱結構，為了減少運算時間，以保險杠結構的一半構建拓撲優(yōu)化有限元模型。保險杠吸能盒和橫梁邊緣是非拓撲優(yōu)化區(qū)域，中間是可拓撲優(yōu)化的部分，如圖3所示。中間區(qū)域以2 mm×2 mm ×2 mm的尺寸劃分體網格，最外圈以2 mm×1 mm的尺寸劃分體網格。單元數(shù)elems一共是515 536.節(jié)點數(shù)nodes一共是548 819.

定義鋁合金材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金6101材料參數(shù)

模型拓撲優(yōu)化問題描述如下：

（1）目標：最小應變能。

（2）約束：體積分數(shù)，體積分數(shù)上限為0.3.約束保險杠橫梁中面所有節(jié)點的Y方向的自由度，對吸能盒最外層的非優(yōu)化區(qū)域的所有節(jié)點施加約束，約束XYZ三個方向的移動自由度，對保險杠橫梁中間位置施加均布載荷大小為3 kN.

（3）響應：體積分數(shù)、最小應變能。

（4）設計變量：單元密度。

保險杠的拓撲優(yōu)化模型，如圖3所示。

圖3 拓撲優(yōu)化有限元模型

3 拓撲優(yōu)化結果分析

將保險杠有限元模型提交求解器Optistruct求解運算，拓撲優(yōu)化之后，保險杠橫梁的材料分布如圖4所示。根據(jù)拓撲優(yōu)化計算結果，簡化處理后，保險杠橫梁斷面結構形狀如圖5所示，呈目字型，和經驗設計方案相符，達到預期目標。

圖4 拓撲優(yōu)化結果

圖5 保險杠斷面結構

4 結束語

（1）本文將材料替換和結構優(yōu)化相結合，對某車保險杠進行了優(yōu)化設計，為汽車零部件產品的輕量化設計提供了新的思路。

（2）運用拓撲優(yōu)化設計初步確定橫梁的材料布局，為進一步的尺寸優(yōu)化打下了基礎，避免結構設計的盲目性，縮短了零部件開發(fā)的時間，降低了零部件的開發(fā)成本。

[1]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]魏顯坤，米林，萬鑫銘，等．基于Optistruct的鋁合金半掛車車架結構拓撲優(yōu)化設計[J]．四川兵工學報，2012（1）：86－89．

[3]謝濤，劉靜，劉軍考.結構拓撲優(yōu)化綜述[J].機械工程師，2006（8）：20-25

[4]羅震，陳立平，黃玉盈，等.連續(xù)體結構的拓撲優(yōu)化設計[J].力學進展.2004（11）：60-63.

[5]周星亮，黃妙華.車身骨架結構拓撲優(yōu)化設計綜述[J].上海汽車，2008（8）：70-75.

[6]石琴，洪洋，等.拓撲及參數(shù)優(yōu)化方法在專用汽車車架結構設計中的應用[J].機械設計，2005，22（2）：30-34.

Topology Optimization Design of the Bumper Beam Based on Optistruct

WEI Xian-kun1，2，SHI Ying3，TANG Qing-ke4
（1.Chongqing Technology and Business Institute，Chongqing 401520，China；2.Chongqing radio and TV university，Chongqing 401520，China；3.Chongqing Changan automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China；4.Dongfeng Xiaokang Automobile Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China）

Structural optimization based on Optistruct software，using the topology optimization method，topology optimization design of a vehicle bumper beam structure，the initial structure of bumper beam，for further size optimization and lay the foundation.■

topology optimization；optistruct；bumper beam

U463

A

1672-545X（2017）03-0014-02

2016-12-23

重慶工商職業(yè)學院科研項目（項目編號：YB2015-02）；汽車車身先進設計制造國家重點實驗室開放基金資助項目(31015011）

魏顯坤(1985-），男，湖北十堰人，講師，碩士，研究方向：汽車現(xiàn)代設計理論與方法。