汪兆亮，陳浩東，李明軍，陳輝，周飛

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基于HyperWorks的機(jī)艙橫梁總成輕量化設(shè)計(jì)

汪兆亮，陳浩東，李明軍，陳輝，周飛

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351111）

汽車輕量化基本上貫穿于整車開發(fā)流程所有階段，尤其在概念設(shè)計(jì)階段、產(chǎn)品開發(fā)階段占據(jù)著十分重要的地位。在保證使用材料不變的前提下，文章主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行輕量化，以機(jī)艙橫梁總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，首先在HyperWorks的HyperStudy模塊中進(jìn)性DOE分析，綜合四種工況下最大VonMises應(yīng)力響應(yīng)、一階模態(tài)響應(yīng)、質(zhì)量響應(yīng)篩選出需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，其次在HyperWorks的OptiStruct模塊中進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最終得到優(yōu)化后的機(jī)艙橫梁總成，從而在滿足性能許可的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重。

HyperWorks；HyperStudy；OptiStruct；DOE分析；輕量化

引言

新能源汽車?yán)m(xù)航能力、整車重量、能耗與補(bǔ)貼密切相關(guān)，如何降低能耗、減輕整車重量、提高續(xù)航能力成為各大主機(jī)廠提升產(chǎn)品市場競爭力的重要手段。輕量化常用的手段主要是圍繞材料、結(jié)構(gòu)和工藝展開[1]。

本文的案例分析在HyperWorks的OptiStruct模塊中采用慣性釋放的方法計(jì)算出機(jī)艙橫梁在整車制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速、跳動(dòng)四種工況下的受力狀態(tài)，及含有約束狀態(tài)下的一階模態(tài)。

1 模型描述

1）電器安裝支架模型鈑金件采用基本尺寸4*4mm單元進(jìn)行劃分；

2）DCDC、PTC、高壓配電盒和常壓配電盒用質(zhì)量點(diǎn)代替；

3）各質(zhì)量點(diǎn)與支架采用RBE3單元連接；

4）約束：約束電器安裝支架與車身連接點(diǎn)123456自由度；

5）加載。

圖1 初始模型

表1 四種工況下的加載方式

2 DOE分析

在HyperWorks的HyperStudy模塊中將15個(gè)件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，最大應(yīng)力、一階模態(tài)、質(zhì)量作為輸出響應(yīng)，自變量料厚的優(yōu)化域?yàn)閇1，2.5]，采用部分因子法進(jìn)行DOE分析[2]。其中，采用函數(shù)命令max(resvector(,,,,,,))逐次提取整個(gè)機(jī)艙橫梁在四種工況下各個(gè)單元中受力最大的應(yīng)力值。

制動(dòng)工況。計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力響應(yīng)的影響程度從大到小依次為t3、t7、t11、t2、t1、t13、t4、t8、t15、t5、t14、t9、t12、t6、t10，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為-80.91,-14.89,-12.37,-11.37,-7.87,-6.51,-5.65,-3.95,2.84,1.82,-1.20,1.06,-0.68,0.60,-0.43。

轉(zhuǎn)向工況。計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力響應(yīng)的影響程度從大到小依次為t4、t11、t8、t6、t9、t14、t10、t1、t15、t12、t3、t13、t2、t5、t7，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為-98.19,-91.74,-86.40,-12.39,10.76,2.45,-1.62,0.71,-0.64,-0.56,-0.46,0.37,0.35,0.05,0.00。

加速工況。設(shè)計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力響應(yīng)的影響程度從大到小依次為t14、t3、t4、t8、t7、t11、t2、t13、t15、t6、t9、t5、t10、t12、t1，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為-73.67,-20.26,-6.82,-6.41,-5.20,-5.09,-4.82,-4.43,3.19,0.82,0.63,0.58,0.49,0.26,0.00。

跳動(dòng)工況。設(shè)計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力響應(yīng)的影響程度從大到小依次為t3、t11、t7、t13、t4、t2、t1、t8、t14、t5、t6、t10、t9、t12、t15，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為-226.58,-30.77,-30.12,-24.95,-18.42,-18.39,-17.86,-17.46,-16.57,4.27,-3.83,-2.64,2.26,-0.73,-0.37。

一階模態(tài)。設(shè)計(jì)變量對(duì)一階模態(tài)靈敏度的影響程度從大到小依次為t3、t14、t1、t13、t2、t12、t15、t4、t8、t11、t7、t6、t10、t9、t5，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為6.57, 2.81,2.50,2.37,1.41,1.16,1.16,0.85,0.82,0.43,0.43,0.42,0.41。

總質(zhì)量。設(shè)計(jì)變量對(duì)質(zhì)量的影響程度從大到小依次為t13、t3、t11、t9 、t15、t14、t8、t10、t2、t6、t5、t1、t4、t7、t12，其具體數(shù)值的絕對(duì)值從大到小分別為0.001270188, 0.000262225,0.000167775,0.000127812,0.000112075,7.21E-05,7.20E-05,7.17E-05,6.16E-05,5.45E-05,3.17E-05,2.95E-05,2.89E-05,1.58E-05,1.53E-05。

綜合設(shè)計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力、一階模態(tài)、質(zhì)量的影響程度選取四種工況下設(shè)計(jì)變量對(duì)最大應(yīng)力響應(yīng)、一階模態(tài)影響程度不太明顯，且對(duì)質(zhì)量影響程度較為明顯篩選如下7個(gè)設(shè)計(jì)變量：t13、t2、t15、t6、t10、t9、t5。

3 多重約束下的尺寸優(yōu)化

在OptiStruct模塊中對(duì)這7個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行尺寸優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在滿足各工況下最大VonMises應(yīng)力不超過258 MPa和一階模態(tài)不低于40 Hz的約束條件下，質(zhì)量最輕從而達(dá)到減重的目的。

經(jīng)過3次優(yōu)化迭代之后收斂，t13、t2、t15、t6、t10、t9、t5優(yōu)化后的尺寸分別為1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm，1.775mm進(jìn)一步圓整為1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm，1.8 mm，詳細(xì)結(jié)果見表2。最終在OptiStruct的OSSmooth命令模塊中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后機(jī)艙橫梁總成模型的幾何重構(gòu)，生成所需的數(shù)據(jù)格式文件[3-4]。

表2 機(jī)艙橫梁總成各零件優(yōu)化前后屬性

4 優(yōu)化前/后分析結(jié)果對(duì)比

Q345材料屈服極限345MPa，安全系數(shù)取1.337，許用應(yīng)力為258 MPa。表3優(yōu)化前后分析結(jié)果整體上看，整車制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速、上跳工況中受力最為惡劣的是整車上跳工況，優(yōu)化后最大VonMises應(yīng)力達(dá)到253.5 MPa，但是優(yōu)化前、后各工況的最大應(yīng)力均低于目標(biāo)值，且一階模態(tài)略有降低優(yōu)化后達(dá)到43.82 Hz，但滿足要求。

圖2 四種工況下的VonMises應(yīng)力云圖（優(yōu)化前）

圖3 四種工況下的VonMises應(yīng)力云圖（優(yōu)化后）

圖4 優(yōu)化前后一階模態(tài)振型圖

表3 優(yōu)化前后分析結(jié)果

5 結(jié)束語

針對(duì)機(jī)艙橫梁總成輕量化方案前期考慮過采用鋁合金方案，由型材與鋁板材焊接而成，減重效果較為明顯，單件成本上升卻較為明顯，同時(shí)鑒于鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)模態(tài)耐久性較弱，以及鋁質(zhì)材料在性能一致性和焊接工藝穩(wěn)定性等方面存在風(fēng)險(xiǎn)，故維持鋼制方案并采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法進(jìn)行減重。減重前模型總重量40.49kg（含各質(zhì)量點(diǎn)），減重后模型總重量40.05kg（含各質(zhì)量點(diǎn)），相當(dāng)于機(jī)艙橫梁總成減重0.44kg。在滿足各工況強(qiáng)度和剛度性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙橫梁的減重，減少了設(shè)計(jì)余量，同時(shí)節(jié)約了開發(fā)成本，為相關(guān)研究人員輕量化工作提供參考。

[1] 陳吉清,蘭鳳崇著.汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與分析方法[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2017.

[2] 董宇航.用HyperWorks實(shí)現(xiàn)汽車車門的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué), 2007.

[3] 王鈺棟.HyperMesh & HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[4] 洪清泉.OptiStruct & HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

Lightweight design of cabin crossbeam assembly based on HyperWorks

Wang Zhaoliang, Chen Haodong, Li Mingjun, Chen Hui, Zhou Fei

( Fujian Yudo New Energy Automobile Co., Ltd., Fujian Putian 351111 )

Automobile lightweight basically runs through all stages of the GVDP, especially in the conceptual design and product development stage occupies a very important position. Under the premise of the same use of materials, the paper mainly carries out lightweight from the aspect of structural optimization. Taking the structural optimization of engine room crossbeam assembly as an example, firstly, the HyperStudy module of HyperWorks is used for conducting DOE analysis, based on the maximum VonMises stress response, first-order modal response and quality response under four working conditions, the design variables to be optimized were screened out. Secondly, the OptiStruct of HyperWorks is used to optimize the design variables. Dimension optimization is carried out in the module, and finally the optimized cabin beam assembly is obtained, so that the weight reduction of the structure can be realized while meeting the performance permission.

HyperWorks;HyperStudy;OptiStruct;DOE Analysis;Lightweight

U463

B

1671-7988(2019)07-142-03

汪兆亮（1991－)，男，工程師，碩士，就職于福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，主要從事新能源汽車輕量化及CAE性能仿真研究工作。

U463

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1671-7988(2019)07-142-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.048