李明哲_OptiStruct在汽车前端模块支架设计中的应用.pdf

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1、Altair2012HyperWorks技术大会论文集OptiStruct在汽车前端模块支架设计中的应用李明哲邱智学敏实集团研发中心宁波315800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

2、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

3、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。-1-Altair2012HyperWorks技术大会论文集2汽车

4、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

5、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

6、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。-2-Altair2012HyperWorks技术大会论文集图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FeasibleDesign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2.52K

7、g。-3-Altair2012HyperWorks技术大会论文集图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