某越野车后掀门有限元分析和结构优化设计
随着汽车技术的发展，车身结构趋于轻量化设计。传统上的采用加厚钣金件厚度等提高强度的方法已经被淘汰。传统设计是一种基于经验的设计方法，不可避免地出现盲目性。设计中实际上采用的是尝试的方法，一种方法不行，再试另外一种方法。这样做不仅费时，也造成了不必要人力和财力的浪费。随着现代有限元技术和设计理念的发展，更多地借助于计算技术来完成相关的设计。本文基于 OptiStruct软件，针对某越野车后掀们原设计强度不足的问题，采用 OptiStruct进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高结构强度。 3 W$ ?$ R( t+ o1 U! L9 J5 h
) Q* i: i2 O$ B2 I' V
2 有限元模型的建立 ) l- j8 \8 X5 l) i' C+ Q/ w w
* j2 s Z5 V; Z* k( d8 F2.1 有限元网格划分 # e+ |7 q6 ~# n
- F' r8 v9 X( y& N模型前处理采用 Altair HyperMesh软件。针对后掀门为钣金结构的特点，网格划分采用四边形网格，在过渡区域采用适当个数的三角形单元。建立的模型如图所示。模型信息如表所示。1 P6 T$ S( l; X8 p: p
4 v/ w* ~- g0 e+ v* I5 T
图 1原设计结构的有限元模型 图 2原设计结构有限元分析的边界条件
5 R, M5 r7 n' y. Q f: `. ?
& g6 b, w2 B# F7 Z0 f* V8 e表 1有限元模型规模信息
9 A$ g1 z- j$ H E6 U+ f- NODE NUM ELEM NUM
- n/ v) U% f" `6 @ ^- R数量 148281 143943 3 A) \- ]; R9 @: p \, F: i$ j
6 V! j; D* g7 @7 j4 X' |( O
# `9 `7 ]; H5 f3 X6 v! p1 R) O9 G2.2 有限元载荷和边界条件 ! ~9 Q7 W+ c3 G2 n1 m9 l
5 I- m( T6 j3 l, K
计算中，在后掀门中间位置上（最为危险的位置）。在相应位置上施加由上述载荷产生的作用力。如图所示，后掀门在安装点通过销结构进行装配。有限元计算分析时，约束四个安装销处的平动自由度。从而建立某越野车后掀门结构的约束系统。 + g$ s8 r; w4 |
1 h8 r4 I' i }% h/ |
2.3 材料模型
5 @" Y6 m6 P* w5 B. z4 ]
% H, W, C5 _5 O, W: o4 L建立有限元模型时，采用 MAT1材料模型进行材料建模，材料相关参数如表所示。8 J0 [: z O* \( q- W
表 2材料 STEEL的参数
+ \7 w+ Y- I5 {! c7 ?* H, L) {! X& N1 A; @* Z# W' r0 s ?' r9 ~
) y/ o7 N8 v4 F3 C+ v1 [+ V
3 结构强度计算分析
7 o" }1 p! V2 ?: [* W7 B: `
9 C6 v0 b; }- @2 l& G' ?载荷和边界条件如前所述，原设计结构应变和应力云图分别如图 3和图 4所示，最大形变位移和最大应力如表 3所示。原设计的最大应力达到了 498MPa,而材料的抗拉强度为 540MPa~695MPa，这个应力值已经大于材料的屈服极限，接近抗拉强度，可以说结构的设计在某种程度说存在问题。需要修改设计。 K F5 v3 b0 ~; m9 I/ A
; l& [' ~8 E, h$ L+ I) Q4 K! s! @
图 3原设计形变位移云图图图4 原设计应力云- c4 L. o/ {$ [" D8 x1 p! |
+ T; N) w. _4 S# P2 k/ G8 B
表 3 结构的最大应力和最大形变位移及约束反力的比较
1 L4 @4 j$ Y* @4 b* d& {
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8 w6 l! y/ q' S4 模态计算分析 ! g3 Z' `' d C* j
k. _" x' b7 ^6 x: |
为了评价结构的模态振动特性，进行结构的自由模态和约束模态分析。自由模态采用自由-自由边界条件，而约束模态采用的约束条件和结构强度分析相同。 OptiStruct求解器默认采用 Lanczos算法进行结构振动平衡方程特征值提取，进而计算出结构的振动频率。某越野车后掀门的前六阶模态频率如表 4所示。- c- _! Y. P; g/ O( O9 G
表 4 四种结构的自由模态和约束模态的模态频率 # b5 T" S' b& e$ T; J. @6 f
1 \5 F$ j7 P4 ~+ j$ s
2 ]5 P2 U) p' ?7 _, d
5 结构优化设计 9 c* K& T% k4 w5 l+ f6 Y
0 A2 i7 d+ n. o6 g7 X/ _9 A
5.1 OptiStruct优化方法
; A3 Q/ {$ t1 T4 j5 Z
2 K9 i, |* Y/ A: i# M: v2 f, ]# G结构优化问题就是在一定的约束条件下（约束函数 constraint function）通过对结构设计参数（设计变量 design variable）进行优化，使结构满足一定的设计目标（目标函数 object function）。因此结构优化问题可以归结为设定优化目标、选取优化参数、定义约束条件三个因素系统规划的过程。OptiStruct软件是具有强大的优化的工具。在拓扑优化和形貌优化上都具有良好的实现功能。OptiStruct软件能解决如下类型的结构优化问题：
- j; K& `8 u5 ]% z3 v+ D( V
, q/ D3 ?: ]: [. H目标函数：minf(x)=f(x1,x2,…，xn) 9 Q* Y4 ^) h5 B" _ M
! ~% h v/ s" i! l4 k/ s
约束函数：gj(x) ≤0; j=1,2,…m
% z" l: G0 y% L; ~$ `$ b; h
, n6 a. }5 G3 O, C4 w9 bxiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n OptiStruct ; g/ y7 Y/ _) f+ o2 z5 v
' x0 t% @4 d I# q# M2 g# [. x除了能解决上述的结构优化问题以外，也可以实现 Minmax（Maxmin）这类结构优化问题求解。Minmax优化问题可以按照如下方式进行描述： 2 L: ?- b* u1 @+ u
& c* Q0 L. y, |目标函数：min{max[f1(x)/f1,f2(x)/f2,…,fk(x)/fk]}
" `) w. o& w5 J/ ~7 A. c( D
* c* z4 p, J$ m; T) q7 r E3 G) Z5 P约束函数：gj(x) ≤0; j=1,2,…m % u5 @) O* a3 c
j! J: `$ E& f5 H
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n
1 Y- N Z2 F0 k
$ p6 ]; q- j7 s( C J: J2 O其中 fk为参考值。
, _; `) z2 Q) n0 P4 e6 p; s3 O! y
- I6 P0 ^3 W( p# @5.2 后掀门结构优化设计
, F3 o# y, b4 n4 s. _ e' {! W8 q8 n2 w" B9 z x: w0 I4 L
如前分析，后掀门的在进行强度计算时，最大应力为 598Mpa。强度不能满足设计要求。但是为了不增加重量，不能采取传统的增加料厚的方法提高强度。钣金件设计中，加筋是一个提高结构强度的很有效方法。而 OptiStruct软件提供了强大的拓扑形貌优化工具。针对钣金件加筋优化设计，其可以定义起筋的方向，筋的高度，拔模角等参数，并且一定方式进行筋分布，如平行阵列、对称阵列、循环对称阵列。因此针对某越野车后掀门结构强度不足的问题。在进行结构优化改进设计时采取加筋的方法。进行优化时，以单元应力作为优化目标，这样就成为一个 minmax优化问题。定义加筋的优化变量时，使加强筋沿着 XZ平面对称，并沿 X方向平行分布。按照上述定义进行优化分析处理，并考虑到工艺和实际设计的边界条件，重新设计的结构如图所示。=
2 ~0 p+ K/ I5 Q: P
# T" u2 j8 F# X) Q" L D图 5 某越野车后掀门优化设计后的结构5 T9 [6 A3 P/ M& {' U
1 Q' r9 e" F7 n% H$ V6 m% B; n5.3 后掀门优化结构的有限元分析
7 e2 J O9 c+ V( d' v2 v2 P
& m8 b) Y9 C `. G$ j: t! p3 X为了验证优化结果的可行性和有效性，对优化后的结构进行了和优化前结构相同的载荷和边界条件强度和模态分析。分析结果见表。可以看出，优化后的结构最大应力由原来的598.00减小为152.23Mpa，应力减小了近 3倍，强度满足设计要求。形变位移由原来的26.20mm，减小为 6.21mm，形变位移减小了近 4倍。从上面的比较可以看出，优化后的后掀门结构强度和刚度都有显著提高，从而满足设计要求。
2 I; q- `- v( v
: a0 Q6 P' l2 {. a3 u( n图 6优化设计后结构的形变位移云图图 7优化设计后的结构应力云图% u2 e' R$ L& g. F: i5 l& f
7 }' P5 k, P( n$ q# }2 A8 j
6 结论
6 r. r& T1 d- }+ H4 v( I9 B6 \: P4 ~) v5 ], e/ u- y0 ^
本文运用现代有限元理论和方法，对某越野车进行强度分析和结构优化。从整个分析过程中，可以得出如下结论： 1 u4 h7 f+ c/ b/ L; H5 m
⑴采用现代有限元方法，可以改进设计方法和设计思路，使设计流程科学化和现代化。 4 s3 \" S3 }8 j' s
5 Z- N1 u X$ A5 s4 B8 y3 `4 f1 ]⑵采用适当的优化方法，在不增加结构重量的同时，改善结构的性能，满足当今汽车行业轻量化发展需求，符合社会发展趋势。 1 a& Q3 V2 s; g p2 B$ n W
, g* L5 L; @# S( T
⑶Altair系列软件提供了一个高效的前处理、求解计算、后处理工具包，为 CAE工程师工作提供了 CAE分析系统解决方案。(
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