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傳統(tǒng)設(shè)計是一種基于經(jīng)驗的設(shè)計方法，不可避免地出現(xiàn)盲目性。設(shè)計中實際上采用的是嘗試的方法，一種方法不行，再試另外一種方法。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)趨于輕量化設(shè)計。傳統(tǒng)上的采用加厚鈑金件厚度等提高強度的方法已經(jīng)被淘汰。這樣做不僅費時，也造成了不必要人力和財力的浪費。隨著現(xiàn)代有限元技術(shù)和設(shè)計理念的發(fā)展，更多地借助于計算技術(shù)來完成相關(guān)的設(shè)計。本文基于 OptiStruct軟件，針對某越野車后掀們原設(shè)計強度不足的問題，采用 OptiStruct進行形貌優(yōu)化，在不增加重量的前提下，提高結(jié)構(gòu)強度。
2 有限元模型的建立
2.1 有限元網(wǎng)格劃分
模型前處理采用 Altair HyperMesh軟件。針對后掀門為鈑金結(jié)構(gòu)的特點，網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格，在過渡區(qū)域采用適當(dāng)個數(shù)的三角形單元。建立的模型如圖所示。模型信息如表所示。
圖 1原設(shè)計結(jié)構(gòu)的有限元模型 圖 2原設(shè)計結(jié)構(gòu)有限元分析的邊界條件
表 1有限元模型規(guī)模信息
- NODE NUM ELEM NUM
數(shù)量 148281 143943
2.2 有限元載荷和邊界條件
計算中，在后掀門中間位置上（最為危險的位置）。在相應(yīng)位置上施加由上述載荷產(chǎn)生的作用力。如圖所示，后掀門在安裝點通過銷結(jié)構(gòu)進行裝配。有限元計算分析時，約束四個安裝銷處的平動自由度。從而建立某越野車后掀門結(jié)構(gòu)的約束系統(tǒng)。
2.3 材料模型
建立有限元模型時，采用 MAT1材料模型進行材料建模，材料相關(guān)參數(shù)如表所示。
表 2材料 STEEL的參數(shù)
3 結(jié)構(gòu)強度計算分析
載荷和邊界條件如前所述，原設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)變和應(yīng)力云圖分別如圖 3和圖 4所示，最大形變位移和最大應(yīng)力如表 3所示。原設(shè)計的最大應(yīng)力達(dá)到了 498MPa,而材料的抗拉強度為 540MPa~695MPa，這個應(yīng)力值已經(jīng)大于材料的屈服極限，接近抗拉強度，可以說結(jié)構(gòu)的設(shè)計在某種程度說存在問題。需要修改設(shè)計。
圖 3原設(shè)計形變位移云圖圖圖4 原設(shè)計應(yīng)力云
表 3 結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大形變位移及約束反力的比較
4 模態(tài)計算分析
為了評價結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動特性，進行結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)和約束模態(tài)分析。自由模態(tài)采用自由-自由邊界條件，而約束模態(tài)采用的約束條件和結(jié)構(gòu)強度分析相同。 OptiStruct求解器默認(rèn)采用 Lanczos算法進行結(jié)構(gòu)振動平衡方程特征值提取，進而計算出結(jié)構(gòu)的振動頻率。某越野車后掀門的前六階模態(tài)頻率如表 4所示。
表 4 四種結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)和約束模態(tài)的模態(tài)頻率
5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
5.1 OptiStruct優(yōu)化方法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題就是在一定的約束條件下（約束函數(shù) constraint function）通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（設(shè)計變量 design variable）進行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)滿足一定的設(shè)計目標(biāo)（目標(biāo)函數(shù) object function）。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題可以歸結(jié)為設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)、選取優(yōu)化參數(shù)、定義約束條件三個因素系統(tǒng)規(guī)劃的過程。OptiStruct軟件是具有強大的優(yōu)化的工具。在拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化上都具有良好的實現(xiàn)功能。OptiStruct軟件能解決如下類型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：
目標(biāo)函數(shù)：minf(x)=f(x1,x2,…，xn)
約束函數(shù)：gj(x) ≤0; j=1,2,…m
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n OptiStruct
除了能解決上述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題以外，也可以實現(xiàn) Minmax（Maxmin）這類結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題求解。Minmax優(yōu)化問題可以按照如下方式進行描述：
目標(biāo)函數(shù)：min{max[f1(x)/f1,f2(x)/f2,…,fk(x)/fk]}
約束函數(shù)：gj(x) ≤0; j=1,2,…m
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n
其中 fk為參考值。
5.2 后掀門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
如前分析，后掀門的在進行強度計算時，最大應(yīng)力為 598Mpa。強度不能滿足設(shè)計要求。但是為了不增加重量，不能采取傳統(tǒng)的增加料厚的方法提高強度。鈑金件設(shè)計中，加筋是一個提高結(jié)構(gòu)強度的很有效方法。而 OptiStruct軟件提供了強大的拓?fù)湫蚊矁?yōu)化工具。針對鈑金件加筋優(yōu)化設(shè)計，其可以定義起筋的方向，筋的高度，拔模角等參數(shù)，并且一定方式進行筋分布，如平行陣列、對稱陣列、循環(huán)對稱陣列。因此針對某越野車后掀門結(jié)構(gòu)強度不足的問題。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計時采取加筋的方法。進行優(yōu)化時，以單元應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)，這樣就成為一個 minmax優(yōu)化問題。定義加筋的優(yōu)化變量時，使加強筋沿著 XZ平面對稱，并沿 X方向平行分布。按照上述定義進行優(yōu)化分析處理，并考慮到工藝和實際設(shè)計的邊界條件，重新設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖所示。=
圖 5 某越野車后掀門優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)
5.3 后掀門優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有限元分析
為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性和有效性，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行了和優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相同的載荷和邊界條件強度和模態(tài)分析。分析結(jié)果見表?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由原來的598.00減小為152.23Mpa，應(yīng)力減小了近 3倍，強度滿足設(shè)計要求。形變位移由原來的26.20mm，減小為 6.21mm，形變位移減小了近 4倍。從上面的比較可以看出，優(yōu)化后的后掀門結(jié)構(gòu)強度和剛度都有顯著提高，從而滿足設(shè)計要求。
圖 6優(yōu)化設(shè)計后結(jié)構(gòu)的形變位移云圖圖 7優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
6 結(jié)論
本文運用現(xiàn)代有限元理論和方法，對某越野車進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從整個分析過程中，可以得出如下結(jié)論：
⑴采用現(xiàn)代有限元方法，可以改進設(shè)計方法和設(shè)計思路，使設(shè)計流程科學(xué)化和現(xiàn)代化。
⑵采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，在不增加結(jié)構(gòu)重量的同時，改善結(jié)構(gòu)的性能，滿足當(dāng)今汽車行業(yè)輕量化發(fā)展需求，符合社會發(fā)展趨勢。
⑶Altair系列軟件提供了一個高效的前處理、求解計算、后處理工具包，為 CAE工程師工作提供了 CAE分析系統(tǒng)解決方案。
（轉(zhuǎn)載）
