汽车保险杠的创新结构优化设计

《汽车保险杠的创新结构优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、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李颖琎昝建明李建新（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

2、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（OptimizationD

3、rivenDesignProcess），如图1所示：节省：时间、费用图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

4、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

5、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7.125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

6、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

7、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