基于Optistruct的汽車制動盤防塵罩形貌優(yōu)化

劉俊峰等

摘要：汽車制動盤防護罩的結(jié)構(gòu)強度和剛度不足將對汽車行車安全構(gòu)成隱患。利用HyperWorks軟件建立某汽車制動盤防塵罩的有限元模型并進行模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，以提高制動盤防塵罩的結(jié)構(gòu)固有頻率為優(yōu)化目標，在OptiStruct模塊中對防塵罩外殼進行形貌優(yōu)化，結(jié)合沖壓制造工藝，設計加強筋的最佳布置方案，并對優(yōu)化方案進行驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的防塵罩第1階固有頻率提高，優(yōu)化效果明顯，滿足設計要求。最后通過算例對加強筋高度、寬度、起筋角進行參數(shù)化運算，得出加強筋參數(shù)對于薄壁鈑金件結(jié)構(gòu)強度的影響規(guī)律。

關鍵詞：制動盤防塵罩；固有頻率；模態(tài)分析；形貌優(yōu)化

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）01-0029-05

1引言

汽車制動盤防塵罩是汽車制動盤的重要保護部件，防塵罩強度和剛度不足，在遭受石子等異物撞擊后容易發(fā)生彎曲變形，導致防塵罩與制動盤發(fā)生不正常的接觸摩擦，造成制動異常，影響車輛的制動性能，對整車的行車安全造成潛在威脅。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以最優(yōu)化數(shù)學理論為基礎，通過計算機和軟件將研究目標的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，在充分考慮設計約束的前提下尋求滿足預定目標的最佳設計。賈維新等通過形貌優(yōu)化和振動噪聲分析對發(fā)動機油底殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，降低發(fā)動機油底殼的輻射噪聲；侯獻軍等利用模態(tài)分析和形貌優(yōu)化得出消聲器端蓋的加強筋布置方案，提高消聲器的固有頻率；姜衛(wèi)遠以電池中置、輪轂電機獨立驅(qū)動的非承載式車身底盤車架為研究對象，采用拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法，對電動汽車底盤開發(fā)方法和流程進行研究；張偉等以某型電動汽車為實例，通過建立白車身拓撲優(yōu)化模型、有限元概念模型、尺寸優(yōu)化模型和樣車，進行從整車拓撲結(jié)構(gòu)到車身梁截面的優(yōu)化設計過程，實現(xiàn)了電動汽車白車身的正向設計；王魯斌通過對某車型汽車ESP支架進行拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化聯(lián)合優(yōu)化分析，有效解決了支架工作應力大和疲勞強度不足的問題；M.S.Adzman等通過對形貌優(yōu)化后的汽車鈑金零件進行數(shù)值模擬和回彈模擬，研究了加強筋位置和尺寸對于幾何回彈的影響，并開發(fā)了一種無彈性的加強筋設計。上述研究主要針對汽車車身及其零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而對汽車鈑金類零件的形貌優(yōu)化及加強筋參數(shù)影響規(guī)律的研究卻不多。

本文利用Hypermesh建立汽車制動盤防塵罩的有限元模型，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)防塵罩的整體模態(tài)頻率偏低，不能滿足工作要求；以提高其第一階固有頻率為目標，在Optistruct模塊中用形貌優(yōu)化功能對防塵罩進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，提出一種布置加強筋的優(yōu)化方案并進行驗證；最后通過算例分析加強筋參數(shù)對鈑金件結(jié)構(gòu)強度的影響規(guī)律。

2防塵罩的模態(tài)分析

2.1有限元建模

應用Hypermesh對原始汽車制動盤防塵罩進行有限元前處理。去除不必要的倒角圓孔，兩個螺栓處用RBE2單元模擬連接。取基本單元尺寸為2.5mm，設置單元厚度為1.0 mm，單元類型定義為四邊形殼單元。最終單元數(shù)為4276個，節(jié)點數(shù)為4425個。防塵罩有限元模型如圖1，兩個安裝螺栓處的A、B兩點六個自由度全約束。

2.2材料力學參數(shù)

制動盤防塵罩所用材料為ST14冷軋鋼板，具有良好的強度和拉伸延展性能。材料的具體力學參數(shù)如表1所示：

2.3模態(tài)計算結(jié)果

應用OptiStruct求解器對有限元模型進行模態(tài)分析，第1、2階模態(tài)振型結(jié)果如圖2、圖3所示，防塵罩外圓環(huán)部分結(jié)構(gòu)剛度低，振幅較大，施加約束的螺栓區(qū)域及圓心周邊剛度較高，振幅較小。為避免車輛在行駛時防塵罩的結(jié)構(gòu)固有頻率與路面激勵和發(fā)動機激勵一致或接近而造成共振，設計要求制動盤防塵罩的第1階模態(tài)頻率大于105Hz，而原始方案的第1階模態(tài)頻率僅為43.8Hz，故需對其進行結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化。

3防塵罩的形貌優(yōu)化

3.1形貌優(yōu)化的設計流程

基于防塵罩的模態(tài)分析結(jié)果，對防塵罩進行形貌優(yōu)化，以優(yōu)化結(jié)果作為參考，結(jié)合沖壓加工工藝和成本控制，提出進一步的優(yōu)化方案，并對其進行模態(tài)驗證，從而可以快速的設計出符合設計要求的優(yōu)化模型。形貌優(yōu)化設計流程如圖4所示：

3.2形貌優(yōu)化數(shù)學模型

形貌優(yōu)化的本質(zhì)是在約束條件下對三維薄殼結(jié)構(gòu)離散處理后所得的節(jié)點進行坐標調(diào)整，獲得滿足設計目標的最佳節(jié)點位置，將優(yōu)化后的節(jié)點重構(gòu)曲面，得到最佳形貌。

形貌優(yōu)化過程中將防塵罩分為非設計區(qū)域和設計區(qū)域兩部分，如圖5所示。為滿足防塵罩的實際安裝條件，避免起筋后與制動盤發(fā)生干涉，選取防塵罩上的部分區(qū)域作為優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化區(qū)域的節(jié)點坐標定義為設計變量，非設計區(qū)域的所有單元節(jié)點在優(yōu)化過程中坐標保持不變。

約束條件主要為起筋參數(shù)的設置。如圖6所示，根據(jù)單元尺寸的大小確定最小起筋寬度為B=5mm，起筋角θ=60°，設置緩沖區(qū)域，并根據(jù)沖壓加工工藝和材料成型特性確定起筋的最大高度為H=4mm。Hypermesh中常見的加強筋布置的模式組合有無約束分布圓肋式（none）、線性分布式（linear）、輻射分布式（radial）、圓周分布式（circual）、平面分布式（planar）。為了便于制造加工，在模式組合選項中選擇圓周分布式加強筋的加工方式約束。

為能盡可能提高防塵罩結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化目標定義為防塵罩第一階模態(tài)頻率最大化。

該形貌優(yōu)化設計的數(shù)學模型可表述為：