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OptiStruct在汽车前端模块支架设计中的应用 |
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作者：李明哲 邱智学 |
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摘要：本论文探讨了在汽车全塑或复合材料前端模块支架设计中，Altair公司的优化分析软件OptiStruct的应用。OptiStruct在设计布局以及轻量化过程中都起到了非常大的作用，为前端模块支架设计给出了具体设计参数。降低了重量的同时进一步增强了结构的安全性以及经济性。在一些复合前端模块支架中，对于一些起到连接加强作用的钣金件，OptiStruct可以对其进行形貌优化，改进结构的刚度。
关键词：OptiStruct， 前端模块支架， 优化设计， 刚度， 形貌优化
1 概述
现在汽车厂商越来越注重节能减排，降低整车质量，并且进一步需要考虑汽车部件集成化和模块化。这样形成了汽车前端部件的一个模块化，在材料研发技术的强有力支持下，也越来越流行塑料和金属结合的复合前端模块支架，甚至全塑前端模块支架。
复合以及全塑前端模块支架的出现极大的方便了整车前端部件的安装集成，提高了生产效率以及维修成本。之前靠金属焊接在一起的结构，通常都需要十几个甚至数十个金属件，通过数十道工序成型。除了工序上非常的繁琐，还需要非常多的成型设备以及工装来满足，同时也带来了更多的工时，增加了人力成本。而塑料前端模块的出现，在汽车前端部件的集成度上得到了大大地提升，工序也非常简单，不仅节省了不少设备及工装，更进一步降低了大量的人力物力。
复合及全塑前端模块支架的另一重大优点就是降低了重量。可由原先的十多公斤减轻50%以及更多的重量。但是在重量降低的同时，由于材料性能的差异性，也随之导致了一个缺点，即塑料前端模块支架的刚性相对铁件而言下降了很多。所以在塑料前端模块支架结构的设计尤为重要。经过优化后的结构不仅可以降低重量，甚至可能更进一步增强其刚性。
在借助强大的优化软件OptiStruct的功能下，结构设计优化更加合理，最大程度减轻重量，并帮助设计工程师及CAE工程师更加高效完成设计工作。
2 汽车前端模块支架设计中的优化
在全塑汽车前端模块的设计中，通常先会在设计空间中进行布局。主要选择承载的截面形状以及加强筋的布置。在这方面主要还是由前端模块支架的功能上决定，取决于需要承载的部件大小、重量以及装配方式等。其中主要结构为C形和工字形截面。而筋的布置则需要看重其位置承载的重要性而决定。但是通常可以以一种比较固定一致的方式进行排列。
2.1 壁厚优化
在完成了初期的布局之后，在设计中最难点便是壁厚的大小。OptiStruct中可以将所需要进行优化的壳单元的属性进行厚度的尺寸优化，找到满足载荷要求下约束限制的壁厚，并通过多次迭代计算，找到满足要的优化解。
下面以一个简单的前端模块支架为例，展示壁厚优化的过程和结果。下图2-1为某个前端模块支架的布局模型。
图2-1 前端模块支架布局模型
将模型导入HyperMesh中，进行网格划分之后，对其壳单元厚度进行初期定义。按照经验将主体壁厚即C形和工字形截面的壁厚设置为3.0mm，其中加强筋的壁厚设置为1.5mm。通过计算其重量为3.43Kg。然后对其进行加载，检查结果是否满足要求。
经过计算，只有在锁扣拉力最大为2500N的情况下变形稍微超出了最大变形量，其结构的局部刚度要小于要求。而在大灯臂受力上，变形量远小于最大变形量，说明其结构的局部刚度要远大于要求。这样也充分说明了有进一步优化的空间。
现进一步将各个区域上的壳单元属性细分，并将壳单元厚度设定为设计优化变量。其设定范围为0.01mm至3.5mm，每0.5mm为一个变化档位。其属性完成后的模型如下图2-2所示。
图2-2 前端模块支架优化分析模型
通过定义好在载荷下合适的响应、约束以及优化目标。变可以通过OptiStruct进行优化分析求解。在HyperView中查看的结果如下所示：
初期壁厚分布图，见图2-3。初始重量为3.43Kg。
图2-3 初期壁厚分布
在Feasible Design的情况下，其最后一步迭代步壁厚分布图见图2-4所示。可以在.out文件中查看最后一步迭代步中，壁厚优化后模型的重量为2.52Kg。
图2-4 优化后壁厚分布
可见在优化前后，不仅全部能够满足载荷中所设定约束范围，而且重量也有显著的降低。由优化前的3.43Kg减轻为2.52Kg。有部分优化之后的壁厚小于0.5mm以下，基本没有制造加工性，所以可以考虑将壁厚增厚或者是去除。并且在设计过程中要考虑到相同或相近部位筋的厚度的一致性，以及实际生产中的工艺需求，所以部分壁厚还需要进行调整，通常在调整之后，整体质量会有所增加。但是最终结果还是比初步设定有了较大的改进。调整完壁厚后，前端模块支架的重量为2.65Kg。再一次进行加载分析，结果满足要求。
2.2 拓扑优化
在进行完壁厚优化之后，已经得到了一个较为精简的结构。但是依然有一些筋优化的结果非常的薄，基本没有加工制造性。再进一步说，有些筋可以在形状上有些改变，比如将高度减低等方式或者删除，这样可以进一步起到减重的目的。
这样变在壁厚优化后模型的基础上，再进行一次拓扑优化。在Feasible Design的优化结果中，单元中材料密度分布如下图2-5所示。
图2-5 单元材料密度分布
图中所示为拓扑优化之后单元材料的所需密度的分布图。红色值为1代表最为需要材料，故不能减少壁厚，甚至需要进一步增加壁厚。而蓝色值为0.01时，代表此处所需材料则较少，可以降低壁厚，甚至可以将筋删除。
具体可以见下图2-6。图中左侧有三根水平筋可以直接去除掉，而上部筋中部分位置可以根据蓝色位置分布来修建筋的形状及高度。
在进行拓扑优化之后，前端模块支架重量可以进一步降低，材料得到更加高效的利用。
3 前端模块支架附件钣金的形貌优化
在一些金属和塑料复合的前端模块支架中，由于某些承载过大。所以需要将部分承载转移至刚性更强的部件，通常会选用铁料的连接片或者支架来进行连接处理。连接片或支架通常都是通过冲压成型来进行加工的，在设计的过程中更需要考虑到连接片本身的刚度和强度问题。
所以在此，OptiStruct可以通过形貌优化功能来实现。可以对连接片进行形貌优化，做出凸起或者凹下的以及部分拉伸筋等特征。下图3-1为一个金属连接片的初始设计，现对其进行形貌优化。
图3-1 连接片初始设计
导入HyperMesh中进行有限元模型建立，建好的模型如图3-2所示。
图3-2 连接片有限元模型
经过topography设置之后，对其进行响应以及响应约束设置。经过计算，在Feasible Design的情况下，可以查看形貌优化后的情况，如图3-3。
图3-3 连接片形貌优化结果
除此之外，还可以看出在一定载荷条件下，其位移的大小差异，如图3-4所示。在经过形貌优化后其刚性大幅得到提升，由优化前位移由2.40mm减小为1.61mm。
图3-4 连接片形貌优化结果前后结果对比
经过进一步钣金造型，得到下面的连接片模型，如图3-5所示。
图3-5 连接片优化后实体模型
再将优化后的钣金模型导入HyperMesh中进行有限元模型处理后，用OptiStruct进行位移求解，结果如图3-6所示。求解出最大位置值为1.72mm，对比图3-4中最大为2.40mm有较大幅度的减小，且非常接近形貌优化后的理想计算值1.61mm。再一次证明了OptiStruct形貌优化的结果成功提升了零件刚性，降低了载荷下的位移。
图3-6 连接片优化后载荷计算位置结果
4 结论
在前端模块支架及其附件的设计过程中，借助优化软件OptiStruct的帮助有效提升了设计质量。改善并优化前端模块支架的结构，合理布置其筋的位置和厚度，并能有效降低整体结构重量。同时，在一些钣金件中，可以使用OptiStruct形貌优化功能，对钣金结构进行进一步优化并加强。最终使得产品拥有优质的性价比，并符合当今社会节能减排的要求。
5 参考文献
[1] HyperWorks Help Version 10.0, Altair Engineering, Inc.
[2]张胜兰等编著.基于HyperWorks的结构优化设计技术.北京：机械工业出版社，2007(end)
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(12/27/2013) |
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