王帥，蘇衛(wèi)東，陳學(xué)宏，李志敏

(亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009)

0 引言

在汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的形勢下，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向之一。塑料燃油箱相比于金屬燃油箱，具有耐腐蝕、耐沖擊能力強(qiáng)、工藝易成型、輕量化等特點(diǎn)，逐步取代金屬燃油箱在汽車中的應(yīng)用[1]。但塑料制品的強(qiáng)度相比于金屬較低，燃油箱在使用工況下，箱體內(nèi)部壓力增大導(dǎo)致底部變形增加，容易造成“觸底”(一般的車型，油箱是距離地面最近的部件)，造成很大的安全隱患。一般通過在變形較大位置添加加強(qiáng)筋的方式減少箱體變形，傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法主要取決于設(shè)計者的主觀經(jīng)驗，通過多次的計算校核直至找到滿足約束條件、比初始方案更好的方案。這種優(yōu)化方法不僅設(shè)計過程繁瑣，而且效率很低，設(shè)計結(jié)果取決于設(shè)計人員的技術(shù)水平。本文作者以某主機(jī)廠項目為例，借助達(dá)索旗下形貌優(yōu)化軟件Tosca，確定了油箱底部加強(qiáng)筋布置的位置，并集成CATIA、HyperMesh和ABAQUS多種軟件于Isight軟件中，運(yùn)用DOE(Design Of Experiment)分析筋各參數(shù)對油箱變形的影響，以箱體變形最小為目標(biāo)，獲得滿足生產(chǎn)工藝的加強(qiáng)筋參數(shù)。

1 有限元模型

圖1是整個燃油系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格模型，包括減震墊、綁帶、燃油箱本體、夾邊和燃油泵。其中減震墊材料為橡膠，為簡化模型，此次模擬采用R3D3/R3D4剛體單元，在減震墊剛性面與塑料燃油箱本體外表面之間設(shè)置軟接觸行為。綁帶材料為HX420，厚度為1.25 mm，采用S3/S4殼體單元，與燃油箱表面設(shè)置接觸行為[2]。燃油箱本體材料為多層高密度聚乙烯(HDPE)，厚度為5.2 mm，采用S3/S4殼體單元。夾邊材料和單元類型與燃油箱本體一致，厚度為8 mm。燃油泵設(shè)置為剛體，網(wǎng)格單元類型為R3D3/R3D4，與油箱底面進(jìn)行無屬性接觸，并根據(jù)實際情況設(shè)置一定的彈簧力，燃油箱和綁帶材料的材料參數(shù)如表1所示。整個模型一共59 739個單元網(wǎng)格。

圖1 燃油箱有限元模型

表1 燃油箱和綁帶材料的材料參數(shù)

燃油箱在安裝狀態(tài)下，所受的載荷如表2所示，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬，獲得燃油箱上、下表面的變形量云圖，如圖2所示?？梢钥闯?，此次模擬下表面變形量為10.72 mm，大于設(shè)計要求的10 mm變形量。下文作者將借助形貌優(yōu)化軟件Tosca和Isight軟件優(yōu)化出滿足設(shè)計要求的加強(qiáng)筋。

表2 載荷工況

圖2 燃油箱變形云圖

2 基于Tosca加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

傳統(tǒng)加強(qiáng)筋布置設(shè)計流程是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計多條加強(qiáng)筋布局方案，對優(yōu)化方案進(jìn)行幾何處理后再進(jìn)行模型驗證，通過對比選擇合適的加強(qiáng)筋布置方案。這樣設(shè)計的方案很大程度上依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，并不一定是最優(yōu)解，而且存在設(shè)計變差的風(fēng)險，效率較低，增加產(chǎn)品開發(fā)時間。本文作者應(yīng)用形貌優(yōu)化軟件Tosca，通過選擇合適算法，并設(shè)置約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，自動優(yōu)化出滿足設(shè)計要求的加強(qiáng)筋布置方案。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

此次油箱加強(qiáng)筋優(yōu)化目標(biāo)為在滿足約束條件的情況下使得油箱底部局部剛度最大。在Tosca軟件中剛度性能以結(jié)構(gòu)的柔度(應(yīng)變能)指標(biāo)來衡量，即當(dāng)柔度最小時，結(jié)構(gòu)剛度最大，柔度的計算公式(1)[3]為

c=∑uTKu

(1)

其中：c為單元柔度(應(yīng)變能)；u為單元節(jié)點(diǎn)位移；Ku為單元節(jié)點(diǎn)力(Ku=F)，其中K可以是線性或非線性。

2.2 約束條件

考慮此次優(yōu)化目標(biāo)為增加燃油箱局部剛度，為縮短優(yōu)化時間，此次形貌優(yōu)化作簡化處理，模型只包含燃油箱本體和夾邊，去除與油箱接觸的鋼帶、燃油泵和減震墊3種部件，約束夾邊孔位置，載荷為6 kPa內(nèi)壓。

Tosca軟件算法有基于敏感型算法和基于控制型算法，文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)描述了兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇基于控制型算法進(jìn)行加強(qiáng)筋優(yōu)化。受吹塑成型工藝限制，油箱加強(qiáng)筋深度及寬度有一定的要求，此次優(yōu)化約束條件為設(shè)置筋的深度為15 mm，寬度為30 mm，在不影響其他焊接部件的情況下，根據(jù)圖2下表面變形云圖，選擇變形區(qū)域較大位置為加強(qiáng)筋布置區(qū)域，如圖3所示。

圖3 加強(qiáng)筋布置區(qū)域

2.3 Tosca優(yōu)化結(jié)果分析

Tosca形貌優(yōu)化軟件只需優(yōu)化3次就可得到結(jié)果，最終結(jié)果如圖4所示，可以看出：軟件自動布置了筋的走勢，其中紅色表示筋的深度。由于軟件自動生成的筋不規(guī)則，為滿足吹塑生產(chǎn)工藝需求，需根據(jù)該結(jié)果對油箱底部加強(qiáng)筋進(jìn)行CAD二次規(guī)則化設(shè)計。

圖4 Tosca優(yōu)化結(jié)果

加強(qiáng)筋設(shè)計尺寸要求有深度H、寬度L、底部倒角R1、頂部倒角R2和拔模角度T，剖視圖如圖5所示。根據(jù)經(jīng)驗，初步設(shè)計加強(qiáng)筋的各參數(shù)：深度H為15 mm，寬度L為30 mm，底部倒角R1為8 mm，頂部倒角R2為10 mm和拔模角度T為10°。運(yùn)用CATIA軟件繪制出油箱三維圖如圖6所示，后續(xù)將用Isight軟件對該三維圖進(jìn)行加強(qiáng)筋參數(shù)化設(shè)計。

圖5 加強(qiáng)筋剖試圖 圖6 CATIA設(shè)計結(jié)果

3 基于Isight加強(qiáng)筋參數(shù)優(yōu)化

Isight是一個開放的軟件框架，集成了多種學(xué)科仿真模型和流程，借助優(yōu)化算法自動地探索設(shè)計空間。軟件提供設(shè)計優(yōu)化所需要的多種算法包，包括：試驗設(shè)計、優(yōu)化算法、近似模型、蒙特卡洛分析、田口穩(wěn)健性設(shè)計、6σ品質(zhì)設(shè)計方法等，同時可自動驅(qū)動仿真流程，在滿足約束條件情況下進(jìn)行設(shè)計變量值的最優(yōu)組合[5]。

3.1 建立優(yōu)化流程

此次優(yōu)化運(yùn)用Simcode程序集成組件，編寫批處理運(yùn)行程序，將CATIA、HyperMesh和ABAQUS軟件集成在Isight優(yōu)化平臺下，搭建的流程圖如圖7所示，包括：(1)用CATIA軟件對筋參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化；(2)用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格批處理；(3)運(yùn)用include語句建立包含燃油箱網(wǎng)格模型、油箱材料、載荷及邊界條件的inp文件；(4)讀取ABAQUS計算結(jié)果；(5)提取油箱下表面最大變形。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，此次加強(qiáng)筋優(yōu)化參數(shù)范圍分別設(shè)置為：深度H=10～15 mm，寬度L=25～40 mm，底部倒角R1=6～10 mm，頂部倒角R2=8～15 mm，拔模角度T=5°～15°。運(yùn)用DOE組件中拉丁超立方算法，共運(yùn)行100組不同參數(shù)組合，以底部變形最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 Isight優(yōu)化流程圖

3.2 Isight優(yōu)化結(jié)果分析

Isight優(yōu)化出加強(qiáng)筋參數(shù)最優(yōu)組合，不同組合的參數(shù)運(yùn)行結(jié)果列表如圖8所示，灰色表示組合參數(shù)中的最優(yōu)解，出現(xiàn)在第100組組合中，其中加強(qiáng)筋參數(shù)組合為深度H=15mm、寬度L=39mm、底部倒角R1=7 mm、頂部倒角R2=11 mm、拔模角度T=7°，CATIA三維圖如圖9所示。

提取優(yōu)化結(jié)果Pareto圖(帕萊托圖)，可以得出所有加強(qiáng)筋參數(shù)對響應(yīng)位移的貢獻(xiàn)量，深灰色表示正效應(yīng)，淺灰色表示負(fù)效應(yīng)，如圖10所示，可以看出：深度H、寬度L、底部倒角R1和頂部倒角R2對油箱底部變形具有正效應(yīng)，拔模角度T具有負(fù)效應(yīng)，即增大深度H、寬度L、底部倒角R1和頂部倒角R2，減小拔模角度T都可減小箱體變形，且拔模角度T、底部倒角R1和頂部倒角R2對變形影響較小，貢獻(xiàn)量低于10%，深度H及寬度L對變形結(jié)果影響最大，貢獻(xiàn)量達(dá)到了40%以上。

加強(qiáng)筋參數(shù)與位移的主效應(yīng)圖如圖11所示，可以看出：深度H和寬度L的曲線斜率最大，為正數(shù)，即兩參數(shù)對響應(yīng)位移的影響最大，且是正相關(guān)，從曲線的線性程度可以看出，參數(shù)深度H和寬度L與響應(yīng)位移存在線性關(guān)系。底部倒角R1、頂部倒角R2和拔模角度T曲線斜率較低，與響應(yīng)位移存在非線性關(guān)系，即這3個參數(shù)對響應(yīng)位移的影響較小。所得結(jié)論與Pareto圖分析結(jié)果是一致的。

圖10 Pareto圖 圖11 主效應(yīng)圖

3.3 仿真結(jié)果對比分析

為對比分析燃油箱總成中加強(qiáng)筋優(yōu)化效果，仿真模型包含減震墊、綁帶、燃油箱本體、夾邊和燃油泵，并采用表2所示載荷工況進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯觯喝加拖湎卤砻孀冃瘟繛?.7 mm，與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，油箱底部變形減小了28.17%，可以發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)筋優(yōu)化效果比較明顯。

圖12 燃油箱加強(qiáng)筋優(yōu)化后強(qiáng)度分析結(jié)果

4 小結(jié)

以某主機(jī)廠項目為研究對象，運(yùn)用達(dá)索形貌優(yōu)化軟件Tosca，以最大化全局剛度為優(yōu)化目標(biāo)，布置了加強(qiáng)筋的位置，隨后集成CATIA、HyperMesh、ABAQUS多種軟件于Isight軟件中，建立加強(qiáng)筋參數(shù)自動優(yōu)化流程，并通過DOE分析各參數(shù)對箱體變形的影響，所得結(jié)論如下：(1)加強(qiáng)筋參數(shù)深度H、寬度L、底部倒角R1和頂部倒角R2對油箱底部變形具有正效應(yīng)，拔模角度T具有負(fù)效應(yīng)；(2)加強(qiáng)筋參數(shù)拔模角度T、底部倒角R1和頂部倒角R2對變形影響較小，深度H及寬度L對變形結(jié)果影響最大；(3)強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)筋優(yōu)化后，油箱底部變形減小了28.17%。