汽车保险杠的创新结构优化设计

结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日汽车保险杠的创新结构优化设计琎李颖昝建明李建新（长安汽车工程研究院CAE工程所，重庆401120）摘要:主要阐述利用Altair公司的OptiStruct模块对汽车保险杠进行创新结构优化设计的过程。以某汽车的前保险杠结构优化为例，重点介绍了将拓扑优化和形貌优化相结合的应用方法，将创新的优化结果与设计人员凭经验改进的结构相比较表明将拓扑优化和形貌相结合应用，对非金属件的结构设计能起到正确的重要指导作用。关键词:拓扑优化，形貌优化，OptiStruct，非金属件1概述优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化的数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出基于该模型的最佳设计方案的一种设计方法。现在，CAE技术中一个非常重要的组成部分—结构优化技术已经发展成熟并成功地被用于产品设计，它正在改变传统的产品设计流程。在概念设计阶段，优化技术可以对产品所需性能全部予以考虑，在给定的设计空间下找到最佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可以直接给出产品改进方案，而不仅仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品。这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的产品设计过程ODDP（OptimizationDrivenDesignProcess），如图1所示：图1优化驱动的产品设计流程经过近几年的实践证明，有限元分析技术以及优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用。特别是对于一些结构复杂的汽车零件，HyperWorks的有限元分析技术、拓扑优化技术和形状优化技术使得很多材料的潜能及铸造的优势得到了充分的发挥。汽车保险杠的主要功用一是当轿车发生前、后碰撞时保护车身，使之损坏较小，同时通过缓冲使人的伤害程度也大大下降；二是通过保险杠的造型与装饰，使轿车的外形更美观，更具时代感。本文针对某车型新开发的前保险杠在实际装车过程中发现前进气格栅下部保险杠区域存在刚度偏小，手感偏软的问题，设计部门的工程师根据经验在保险杠背部设计出起支撑作用的加强筋，CAE部门的工程师创新地利用拓扑和形貌优化同样设计出可制造的加强筋，两种设计方案经CAE模拟分析对比，后者达到的效果更佳。2有限元模型建立及分析保险杠通过螺栓与车身相连，由于整车有限元模型的计算量太庞大，导致计算时间过长，因此仅选取保险杠本体作为分析模型，与车身相连处施加约束。2.1有限元模型建模节省：时间、费用386结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日利用HyperMesh对CAD模型进行有限元建模。保险杠本体采用SHELL单元进行网格划分，螺栓用REB2单元进行模拟。原始结构如图2所示，有限元模型如图3所示。图2保险杠几何模型图3保险杠有限元模型2.2边界条件保险杠通过螺栓与车身相连，在模型中约束保险杠与车身相连螺栓孔处的123456自由度。在实车主观评价保险杠刚度最弱位置施加60N的载荷，方向沿施加面的法向向下。保险杠受力分析边界条件如图4所示。图4保险杠受力分析边界条件2.3结构分析结果保险杠在上述工况下的分析结果如表1所示，位移云图如图5所示。表1转向节的分析结果零件最大位移(mm)最大应力(MPa)保险杠7.125387结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日图5保险杠受力分析位移云图3优化分析由于保险杠是影响外观的重要部件和非金属件，所以并不能采用传统的拓扑优化思想即在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布，其目的不是减少材料；也不能采用传统的形貌优化思想即在板型结构上强化压痕，寻找最优的加强筋的形状，因为会影响外观。本次优化的目的在于在保险杠背部找到合理的布筋区域，通过布置筋条强化其刚度，将创新型地采用将拓扑优化和形貌优化相结合的方法，旨在为非金属件的加强筋布置提供一种新的设计思路。3.1拓扑优化分析首先对保险杠非干涉和非装配部位进行必要的材料填充，然后将有限元网格划分为设计区域（蓝色）和非设计区域（黄色），如图6所示。图6填充材料后的保险杠模型选取单元密度作为设计变量，设计区域内所有节点在上述工况下的最大位移作为约束条件，体积最小化作为目标函数进行拓扑优化分析，并将拓扑优化中整个模型的最大应力控制在25MPa以下。另外为获得更均匀的材料分布，可以对其进行一系列制造工艺约束：（1）最小成员控制卡片MIMDIM，消除优化结果中细小的传力路径，MIMDIM值一般大于3倍的单元平均尺寸；（2)DOPTPRM卡中的离散参数DISCRETE在拓扑优化中可以使具有中间密度值的单元趋于1或者0，这样可以得到更加离散的结构；（3)为了避免计算区域中出现材料密度为1和0的单元（或半密度单元）呈周期性分布的现象，需设置DOPTPRM卡中的CHECKER值为1，实现全盘棋盘格控制。拓扑优化结果如图7所示。388结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日图7拓扑优化单元密度云图根据拓扑优化的单元密度等值面图指定的精度值，利用OSSmooth工具将优化云图转换为IGES曲面，从而形成新的设计方案。图8拓扑优化设计方案3.2形貌优化分析选取形状作为设计变量，设计区域所有节点在上述工况下的最小位移作为目标函数进行形貌优化分析，并将整个模型的最大应力控制在25MPa以下。（将原设计区域内曲面法向变化较大的区域划入非设计区域）将MinimunWidth值设为单元平均密度的1.5—2.5倍，DrawAngle值设为60—75度，控制BufferZone，避免起筋区域与非设计趋于之间产一个突变。同时以对称的方式布置筋痕，形貌优化结果如图9所示。图9形貌优化加强筋分布云图389结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日3.3设计方案根据拓扑优化和形貌优化的结果，可以确定一个拥有最佳载荷传递路径的设计方案，再经过局部的细节设计得到CAE最终的设计结果，如图10所示。工程设计部门工程师凭借经验同样也针对此问题设计出改进方案，如图11所示。几种优化方案的分析结果如表2所示。图10背部筋条布置设计方案图11设计部门改进方案表2保险杠优化方案分析结果保险杠最大位移(mm)最大应力(MPa)原始方案7.125拓扑优化方案7.020形貌优化方案4.515CAE最终设计方案4.115设计部门改进方案5.318390结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日4结论将原始结构与CAE最终优化方案相比较，CAE优化方案的刚度较以前提高约73%。将CAE优化方案与设计部门改进方案相比较，CAE优化方案的刚度也优于后者近30%。CAE优化方案的应力水平不仅低于原始结构，也是低于设计部门改进方案的。优化分析结果显示，在非金属材料加强筋布置这个问题上，将拓扑优化和形貌优化联合应用，参考这两种优化结果的云图设计出拥有最佳载荷传递路径的加强筋布置方案，不仅正确，而且具有实际的工程意义，这也为非金属件的加强筋布置提供了一种新的设计思路，当然这还需要后续的实物试验进行验证。同时此次分析只是针对单工况下对保险杠进行了优化设计，在实际工程运用中，还需综合考虑其它载荷工况来进行更全面的验证和优化，这也是优化设计的关键点。此外，在优化参数的设置上还可考虑拔模约束等工艺约束条件，使得最终的优化设计方案更具有可制造加工性。参考文献[1]张胜兰等编《基于HyperWorks的结构优化设计技术》机械工业出版社2007[2]余志生主编《汽车理论》机械工业出版社2007[3]代智军，刘海波，周新，徐东辉《OptiStruct在汽车消声器外壳优化设计中的应用》Altair大中国区2008HyperWorks技术大会论文集2008CreationDesignandOptimizationofAutomobileBumperStructureLiYingjin，ZanJianming，LiJianxin（ChanganAutomobileEngineeringInstituteCAEEngineeringBureau,Chongqing401120）AbstractAltairHyperWorksisasoftwareofstructureoptimizationusedtooptimizethestructureofautoparts.Withanexampleofavehiclebumper,itemphasizestheintroductionofmethodsandfunctionsoftopologyoptimizationandtopographyoptimizationinstructuredesignofautoparts.Theoptimizationresultonbumpershowedthatcombinationoftopologyandtopographyoptimizationcanbeeffectivelyhelpfultostructuredesign.Keywordstopologyoptimization，topographyoptimization，OptiStruct，non-metalpart391