胡玉龍 鄭棟 倪亮軍 徐國坤 陳振冬

摘 要：為了適應汽車企業(yè)縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，國內(nèi)對汽車結(jié)構(gòu)的設計與研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計逐漸發(fā)展到應用CAE技術(shù)進行仿真分析階段，但未像航空航天等領域，廣泛采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對零部件進行優(yōu)化設計，以減輕重量且提高產(chǎn)品性能。

關(guān)鍵詞：汽車結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;仿真分析

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-67-03

Abstract： In order to adapt to the role of car companies in shortening the development cycle， saving development costs and improving product quality， the domestic design and research of automobile structure has gradually developed from traditional experience design to the stage of simulation analysis using CAE technology， but it is not like aerospace. In the field， structural optimization technology is widely used to optimize the design of parts to reduce weight and improve product performance.

Keywords： Automobile structural; Structural optimization; Simulation analysis

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-67-03

前言

當今的汽車生產(chǎn)企業(yè)，在開發(fā)新產(chǎn)品時，為了適應愈加起到縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的需求，從而達到全面提升企業(yè)競爭殘酷的市場競爭環(huán)境及工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的目標;同時，汽車零部件，特別是結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的開發(fā)周期變的越來越短，其復雜程度也越來越高，設計成本越來越低，而新興結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件應用技術(shù)在設計前充分考慮各種工況條件及不確定因素，并實施優(yōu)化設計流程自動化，智能化后，不僅可以提高產(chǎn)品可靠性，提高開發(fā)效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，進而提高產(chǎn)品的競爭力，為企業(yè)的競爭生存提供更有力的支持。

1 優(yōu)化技術(shù)路線

1.1 幾何模型的建立

汽車有發(fā)動機總成、變速箱、車架總成、懸架總成、車橋總成、車身、各種支架結(jié)構(gòu)件等上百萬個零部件裝配而成，其中結(jié)構(gòu)件占比85%以上，所以結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設計在汽車設計中顯得尤為重要，幾乎關(guān)乎著汽車新產(chǎn)品開發(fā)的成敗，而結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設計思路與流程大致相同，如圖1所示。

汽車結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設計，主要采用拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化等優(yōu)化方法，拓撲優(yōu)化主要功能是尋找結(jié)構(gòu)在復雜工況下的受力路徑和材料分布情況，給工程師最初的概念設計提供設計指導依據(jù);形狀優(yōu)化主要是消除材料的應力集中現(xiàn)象，并保證結(jié)構(gòu)的魯棒性和使用壽命，并最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化或輕量化優(yōu)化。

1.2 拓撲優(yōu)化

通過CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件集成通用有限元求解器，首先進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化獲得結(jié)構(gòu)的受力路徑和合理的材料分布形式，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過網(wǎng)格光順，幾何重構(gòu)等方法初步獲得結(jié)構(gòu)概念設計參考方案，拓撲優(yōu)化設計流程如圖2所示。

拓撲優(yōu)化功能特點：

1）滿足工藝加工要求;

2）在剛度不變的前提下，體積最小;

3）體積不變的前提下剛度最大;

4）頻率滿足設計的前提下，第一階頻率最大;

5）滿足生產(chǎn)工藝對稱、拔模、分型等要求;

6）可以在多工況，多目標，多約束條件下進行拓撲優(yōu)化，尋找結(jié)構(gòu)概念模型。

1.3 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是拓撲優(yōu)化設計的改進過程，因為幾何重構(gòu)的模型不能完全表達拓撲模型的特征，在模型驗證時存在應力集中、塑性應變過大等問題，這就需要通過形狀優(yōu)化功能來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)危險區(qū)域進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，最大程度的降低，使得結(jié)構(gòu)使用性能更加穩(wěn)健，形狀優(yōu)化設計流程如圖3所示。

形狀優(yōu)化功能特點

1）減小應力集中;

2）改善結(jié)構(gòu)耐久性;

3）提高自然頻率;

4）滿足加工工藝要求

2 優(yōu)化案列

2.1 優(yōu)化目標

汽車橫向推桿（如圖4所示），該結(jié)構(gòu)已批量裝車應用，但存在結(jié)構(gòu)質(zhì)量較重，采購成本較高，燃油經(jīng)濟性較差的問題，所以說橫向推桿輕量化優(yōu)化工作是當務之急，要求優(yōu)化在已經(jīng)滿足強度，剛度和疲勞性能要求下，盡可能減少橫向推桿的重量，降低采購成本，并提高推桿的結(jié)構(gòu)剛性，降低工藝加工難度。

2.2 性能約束

為實現(xiàn)橫向推桿優(yōu)化工作的順利進行，為橫向推桿的優(yōu)化提出以下5點優(yōu)化約束，包括性能約束和工藝制造約束。

1）通過優(yōu)化重量降低不小于10%;

2）主應力降低應不小于30%;

3）剛度損失應不超過10%;

4）同時不增加疲勞損傷和塑性應變;

5）優(yōu)化方案必須是獲得生產(chǎn)工藝認可。

2.3 優(yōu)化過程

橫向推桿的優(yōu)化過程主要對工程師要求較高，必須同時具備設計、仿真、優(yōu)化能力，優(yōu)化過程包括幾何模型處理，網(wǎng)格模型處理，有限元模型處理，拓撲模型搭建集成、迭代求解，幾何光束、幾何重構(gòu)等步驟，具體過程如圖5所示。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

橫向推桿在經(jīng)過拓撲優(yōu)化、幾何重構(gòu)、形狀優(yōu)化，方案驗證，樣機開發(fā)、物理實驗一次通過后，實現(xiàn)了最初的優(yōu)化的全部目標。

1）橫向推桿重量降低了12%;

2）最大應力降低了45%，整體剛度提高了15%。

優(yōu)化成品如圖6所示。

3 總結(jié)

本文基于CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，著重介紹的汽車結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化技術(shù)，并以某汽車橫向拉桿為案列，講解了結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化過程及步驟，案例中，以橫向拉桿的重量為目標，以結(jié)構(gòu)剛度最大為性能約束，對橫向拉桿模型做了拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化，最終橫向拉桿重量降低12%，同時，最大應力降低45%，整體剛度提高15%;本文中所講述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計_仿真驗證_優(yōu)化設計等方法，不僅提高了橫向拉桿的剛度、強度性能，降低了拉桿重量，還提高了拉桿的優(yōu)化效率，可推動汽車結(jié)構(gòu)件的良好發(fā)展。

參考文獻

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