基于Hyperworks的油箱支架綜合設計優化

呂 川，王志方，梁會會，張 強，丁有治

(萬豐控股集團有限公司中央研究院)

油箱與燃油的重量主要依靠于支架的支撐，一旦油箱支架遭到損壞，很容易導致后果嚴重的交通事故。因此，在支架的設計階段，要充分考慮其在汽車不同行駛工況下的受載情況，確保整個支架的載荷大小低于材料本身的強度極限。

Optistruct通過在給定的連續設計區域中找到最佳材料分布形式，進行拓撲優化從而在相應約束下滿足目標設計變量的設計要求。在此過程中可以更直觀地理解結構內部的負載的工作部分和傳輸路徑，并且便于產品的整體結構形式設計從而使用更少的材料，降低設計成本。本文綜合考慮了制動，轉向和垂直沖擊條件下油箱支架的載荷情況，在Hyperworks中采用材料插值的結構拓撲優化方法，得到優化的支架結構，滿足幾種常見工況下的強度要求。

1 優化設計的數學基礎

優化設計基于最優化理論，其三要素分別是設計變量，目標函數和約束。設計變量是一組在優化過程中發生變化的參數，以提高性能。目標函數是需要最佳設計性能并且與設計變量有關的函數。約束是設計約束，是設計變量和其他性能的要求，其基本構成如下所示。

其中X=(x1，x2，......，xn)是設計變量，f(X)是目標函數，g(X)是不等式約束函數，h(X)是等式約束函數；為設計變量下限，為設計變量上限。在OptiStruct中，目標函數f(X)、約束函數g(X)與h(X)是從有限元分析中獲得的結構響應。

拓撲優化在解決結構剛度最大化問題時，通常是轉化為柔度最小問題來研究，這樣就可以用定義柔度的變量來間接地衡量剛度，其數學表達式可以表示為：

2 油箱支架設計與工況

在考慮油箱，支架，縱梁，墊板和緊固帶之間作用關系的情況下，使用合理的結構來模擬它們之間的接觸力傳遞以建立相關模型。該模型采用一階四邊形和三角形單元，基于模型的整體幾何尺寸和結構特征，單元的平均尺寸定義為5 mm，油箱組件的網格參數如表1所示。

表1 油箱總成的網格參數

RBE2用于模擬油箱支架和框架之間的螺栓連接，并限制支架上螺栓孔的所有自由度;油箱和支架之間的接觸以及緊固帶和支架之間的接觸使用GAP單元連接，如圖1所示。對于油箱中的燃料質量通過RBE3單元連接到罐的內表面，保證其質量分布均勻，如圖2所示。為了使模型更接近實際工作條件，所有接觸部件建立group關系。油箱、固定帶、橡膠墊、支架與縱梁之間分別以Interface建立主從連接，并將RBE3連接到油箱內壁單元節點，并從該點施加0.454t的滿載質量。

圖1 模型各部位連接

圖2 油箱燃油質量

油箱的質量為52千克，支架組件的質量為12.8千克。模型相關材料和屬性參數如表2所示。

表2 模型內各零件材料參數與屬性

在整車坐標系中，x，y，z是坐標系中三個方向的坐標值（正值為正，負值是反向），其中x是汽車的相反方向，y指向汽車的右側，z指向汽車的頂部。

油箱受到的極限載荷主要有剎車、轉向以及遇到顛簸路面的垂直加速度等幾種工況。為保證安全性，取動載系數為1.5[4]，除靜載狀況下在az=-1g的重力載荷外，在過坑、制動、轉彎三個工況分別額外施加az=-1.5g、ax=-0.5g、ay=0.5g的加速度。

3 仿真結果與拓撲優化

將相應的加載和約束條件應用于有限元模型，并建立靜態分析所需的加載步驟。在垂直沖擊，制動和轉向條件下，支架組件的最大應力分別為175.1 Mpa，99.5 Mpa和58.3 Mpa。

其中油箱支架的最大應力如圖3所示，油箱支架的最大應力集中在與縱梁連接的螺栓孔的周圍。不斷增加平均支架厚度，直至在支架平均厚度為10mm時，最大應力值為175.1Mpa，考慮到1.5倍的安全系數，175.1262.25，低于屈服極限。

圖3 10mm平均厚度顛簸工況下的應力分布

在hypermesh中進行支架的質量最小化設計以減輕材料，迭代直至收斂。根據圖4密度云圖顯示，藍色為可設計區域，可以進行拓撲優化減輕材料，紅色為不可設計區域，不能減少其材料。由于改后支架不再為鈑金件而是鑄件，且其結構已經屬于加強筋，因此可以對紅色部分進行的局部厚度優化。

圖4 拓撲質量優化的密度云圖

在可設計區域進行鏤空處理以節省材料，在保持平均厚度的情況下，加強引力較大部分的局部厚度，通過最優化設計尋求最優的平均厚度與局部厚度，如圖5所示。

圖5 加厚區域與鏤空區域

當加厚最大應力部位的厚度時，顛簸工況所受最大應力值明顯下降，因此可以重新對平均厚度和局部厚度進行尋優，計算結果如表3所示。

表3 平均厚度與局部厚度下的最大應力

圖6 6mm平均厚度下局部優化設計應力分布

該形狀的油箱支架模態幅值以前三階最大，原始固有頻率分別為3.953HZ，6.765HZ，16.313HZ，優化后固有頻率為3.964HZ，6.767HZ，16.334HZ，如圖7、圖8所示，可以認為模態基本沒有發生變化，不存在增加共振危險性的情況。

圖7 原始一階模態振幅

圖8 優化后一階模態振幅

4 結論

本文基于材料插值理論，分別考慮幾種路況條件下的載荷影響，從而對原油罐支架進行優化計算。在保持靜剛度的條件下，以質量最小的多目標拓撲優化作為目標，通過對應力云圖和密度云圖的研究，找到需要加強結構的區域和對荷載傳遞影響較小的區域。修改原始支架的厚度以獲得新的支架結構，使其基本上保持原始靜態性能的前提下從原本12.8 kg減重至7.7 kg，減重39.8%，大大節省了鋁合金材料。