基于Optistruct的保險(xiǎn)杠橫梁拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

魏顯坤，石英，唐清科

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶401520；2.重慶廣播電視大學(xué)，重慶401520；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400000；4.東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶400000）

基于Optistruct的保險(xiǎn)杠橫梁拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

魏顯坤1，2，石英3，唐清科4

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶401520；2.重慶廣播電視大學(xué)，重慶401520；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400000；4.東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶400000）

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件Optistruct，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)某車保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到保險(xiǎn)杠橫梁的初步結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步的尺寸優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

拓?fù)鋬?yōu)化；Optistruct；保險(xiǎn)杠橫梁

汽車保險(xiǎn)杠作為重要的被動(dòng)安全裝置，對(duì)降低汽車低速碰撞事故中的損失有著重要作用。因此，對(duì)汽車保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高吸能特性具有重要的意義。

掃描某車鋼制保險(xiǎn)杠橫梁輪廓，根據(jù)數(shù)據(jù)云圖建立了保險(xiǎn)杠有限元模型。用6061鋁合金替換低碳鋼，基于Optistruct軟件，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法得到保險(xiǎn)杠橫梁的初步結(jié)構(gòu)，為下一步的尺寸優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的流程

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論相結(jié)合，工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可從多種方案中快速找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率[1]。拓?fù)鋬?yōu)化問題就是在一定的區(qū)域內(nèi)尋求最佳的材料分布問題[2-5]。拓?fù)鋬?yōu)化主要用于產(chǎn)品開發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段，在結(jié)構(gòu)形狀未定的情況下，根據(jù)邊界約束等條件優(yōu)化刪除低密度單元，為工程師提供最佳的材料分布，經(jīng)過修改調(diào)整可初步確定零件的結(jié)構(gòu)形狀，為詳細(xì)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)用。本文采用變密度法對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的流程[6]，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程

2 保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 使用CATIA構(gòu)建保險(xiǎn)杠幾何模型

在CATIA軟件中導(dǎo)入三維掃描儀掃描某車鋼保險(xiǎn)杠原型得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云預(yù)處理編輯后重組曲面，生成鋼保險(xiǎn)杠的三維模型，如圖2所示。根據(jù)鋼制保險(xiǎn)杠的外形幾何尺寸確定鋁合金保險(xiǎn)杠的幾何尺寸。

圖2 鋼制保險(xiǎn)杠幾何模型

2.2 使用HYPERMESH建立保險(xiǎn)杠橫梁的有限元優(yōu)化模型

保險(xiǎn)杠是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少運(yùn)算時(shí)間，以保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的一半構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型。保險(xiǎn)杠吸能盒和橫梁邊緣是非拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域，中間是可拓?fù)鋬?yōu)化的部分，如圖3所示。中間區(qū)域以2 mm×2 mm ×2 mm的尺寸劃分體網(wǎng)格，最外圈以2 mm×1 mm的尺寸劃分體網(wǎng)格。單元數(shù)elems一共是515 536.節(jié)點(diǎn)數(shù)nodes一共是548 819.

定義鋁合金材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金6101材料參數(shù)

模型拓?fù)鋬?yōu)化問題描述如下：

（1）目標(biāo)：最小應(yīng)變能。

（2）約束：體積分?jǐn)?shù)，體積分?jǐn)?shù)上限為0.3.約束保險(xiǎn)杠橫梁中面所有節(jié)點(diǎn)的Y方向的自由度，對(duì)吸能盒最外層的非優(yōu)化區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)施加約束，約束XYZ三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁中間位置施加均布載荷大小為3 kN.

（3）響應(yīng)：體積分?jǐn)?shù)、最小應(yīng)變能。

（4）設(shè)計(jì)變量：單元密度。

保險(xiǎn)杠的拓?fù)鋬?yōu)化模型，如圖3所示。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

將保險(xiǎn)杠有限元模型提交求解器Optistruct求解運(yùn)算，拓?fù)鋬?yōu)化之后，保險(xiǎn)杠橫梁的材料分布如圖4所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果，簡化處理后，保險(xiǎn)杠橫梁斷面結(jié)構(gòu)形狀如圖5所示，呈目字型，和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案相符，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖5 保險(xiǎn)杠斷面結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

（1）本文將材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)某車保險(xiǎn)杠進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為汽車零部件產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

（2）運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)初步確定橫梁的材料布局，為進(jìn)一步的尺寸優(yōu)化打下了基礎(chǔ)，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性，縮短了零部件開發(fā)的時(shí)間，降低了零部件的開發(fā)成本。

[1]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]魏顯坤，米林，萬鑫銘，等．基于Optistruct的鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]．四川兵工學(xué)報(bào)，2012（1）：86－89．

[3]謝濤，劉靜，劉軍考.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化綜述[J].機(jī)械工程師，2006（8）：20-25

[4]羅震，陳立平，黃玉盈，等.連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].力學(xué)進(jìn)展.2004（11）：60-63.

[5]周星亮，黃妙華.車身骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)綜述[J].上海汽車，2008（8）：70-75.

[6]石琴，洪洋，等.拓?fù)浼皡?shù)優(yōu)化方法在專用汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22（2）：30-34.

Topology Optimization Design of the Bumper Beam Based on Optistruct

WEI Xian-kun1，2，SHI Ying3，TANG Qing-ke4
（1.Chongqing Technology and Business Institute，Chongqing 401520，China；2.Chongqing radio and TV university，Chongqing 401520，China；3.Chongqing Changan automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China；4.Dongfeng Xiaokang Automobile Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China）

Structural optimization based on Optistruct software，using the topology optimization method，topology optimization design of a vehicle bumper beam structure，the initial structure of bumper beam，for further size optimization and lay the foundation.■

topology optimization；optistruct；bumper beam

U463

A

1672-545X（2017）03-0014-02

2016-12-23

重慶工商職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YB2015-02）；汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(31015011）

魏顯坤(1985-），男，湖北十堰人，講師，碩士，研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。