汽車安全帶固定支架的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

高志彬，汪攀，趙鍇

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266520）

汽車安全帶固定支架的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

高志彬，汪攀，趙鍇

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266520）

利用hyperworks軟件建立了某汽車安全帶固定支架的有限元模型，對(duì)原設(shè)計(jì)支架進(jìn)行了CAE分析，結(jié)果表明原設(shè)計(jì)的支架最大應(yīng)力為347MPa，超過材料屈服強(qiáng)度340Mpa，需優(yōu)化設(shè)計(jì)。用形貌優(yōu)化技術(shù)確定了加強(qiáng)筋的最佳分布方案，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的汽車安全帶固定支架最大變形量減少36.7%，最大應(yīng)力降低17.6%，總體應(yīng)變能減小32.9%。改善了汽車安全帶固定支架的力學(xué)性能，達(dá)到了優(yōu)化效果。

形貌優(yōu)化；支架；有限元；CAE

CLC NO.:TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-109-03

引言

汽車安全帶固定支架是把安全帶固定在車身上的鈑金件，主要承受安全帶的拉力作用。安全帶固定支架屬于頻繁使用受力件，且直接關(guān)系到乘客人身安全，所以設(shè)計(jì)的安全帶固定支架應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，提出一些較為基本的方案，然后再根據(jù)一些判斷方法進(jìn)行優(yōu)化直到滿足為止。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，具有一定盲目性，而且傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)很難保證不改變?cè)O(shè)計(jì)的安裝環(huán)境，不改變物料成本[1]。為達(dá)到快速，高效，不改變支架安裝環(huán)境及材料成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，現(xiàn)利用形貌優(yōu)化技術(shù)對(duì)安全帶固定支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

形貌優(yōu)化技術(shù)是一種現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)正興起的優(yōu)化技術(shù)，主要應(yīng)用于各種鈑金件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鈑金件的力學(xué)性能，如提高鈑金件剛度，改善應(yīng)力分布，減小應(yīng)力集中[2]。在形貌優(yōu)化中，設(shè)計(jì)空間由大量的節(jié)點(diǎn)波動(dòng)向量組成，這些節(jié)點(diǎn)波動(dòng)向量按照一定的模式進(jìn)行組合以滿足設(shè)計(jì)約束，并最終形成優(yōu)化后的最佳加強(qiáng)筋分布形貌[3-6]。采用形貌優(yōu)化的方法對(duì)此支架優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且減少了設(shè)計(jì)成本和時(shí)間[7]。

1、數(shù)學(xué)原理及優(yōu)化流程

形貌優(yōu)化屬于常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化）中的一種。優(yōu)化設(shè)計(jì)有三個(gè)要素，即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計(jì)變量是發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標(biāo)函數(shù)要求最優(yōu)的設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)；約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求[8]。形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表述為：

其中，U為應(yīng)變能，W為外力所做的功； g(X)是約束載荷，h(X)起筋約束；Xi為設(shè)計(jì)變量,是設(shè)計(jì)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位移,l 和u分別表示最小值和最大值。

應(yīng)用形貌優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程見圖1：

圖1 形貌優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖

2、原支架結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元建模

運(yùn)用hypermesh對(duì)原始汽車安全帶固定支架幾何模型進(jìn)行有限元前處理，去除不必要的倒角等，橫銷及鉚接處用RBE2單元抓取模擬。取基本單元尺寸為2mm，設(shè)置單元厚度為1.1mm，主要采用四邊形殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終單元數(shù)為21119，節(jié)點(diǎn)數(shù)為20837。支架所處工況見圖2，A點(diǎn)、B點(diǎn)六個(gè)自由度全約束，在C點(diǎn)加集中載荷120N，D處施加4N/mm的分布載荷。

圖2 原設(shè)計(jì)有限元模型

2.2 材料力學(xué)參數(shù)

安全帶固定支架所用材料為冷軋雙相鋼，具有良好的強(qiáng)度和延性配合特點(diǎn)。厚度為1.1mm。材料的具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能表

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過RADIOSS求解器對(duì)有限元模型求解，得到支架的整體應(yīng)變能為0.78J，最大位移為1.57mm（見圖3），最大應(yīng)力為347MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在鈑金拐角處（見圖4），與實(shí)際情況相符合。支架的最大應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度340MPa，為加大安全系數(shù)，必須對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高其剛度和強(qiáng)度。

圖3 原設(shè)計(jì)CAE分析位移圖

圖4 原設(shè)計(jì)CAE分析應(yīng)力圖

3、支架優(yōu)化分析

通過上述分析，可確定必須對(duì)原設(shè)計(jì)的安全帶固定支架進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，以降低應(yīng)力水平，降低變形量，提高此支架的安全系數(shù)。為不改變次支架的材料成本以及安裝條件，結(jié)合鈑金件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，決定對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌優(yōu)化分析，確定加強(qiáng)筋的分布位置，通過添加加強(qiáng)筋來(lái)提高支架的強(qiáng)度，減小最大應(yīng)力。

3.1 優(yōu)化變量

在保證原設(shè)計(jì)材料成本和基本裝配關(guān)系的條件下，選取較平整區(qū)域作為形貌優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量區(qū)域，見圖5中的紅色和綠色部分。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)

應(yīng)變能是以應(yīng)變和應(yīng)力的形式貯存在物體中的勢(shì)能，又稱變形能。能整體反應(yīng)物體的應(yīng)力和應(yīng)變情況。以此支架應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)。

圖5 設(shè)計(jì)變量區(qū)域

3.3 優(yōu)化約束

形貌優(yōu)化的主要約束為起筋參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置加強(qiáng)筋參數(shù)（圖6），最小筋寬度為5mm，筋角度為60度，拔模高度為2mm，有緩沖區(qū)域[9]。在設(shè)計(jì)區(qū)與非設(shè)計(jì)區(qū)單元之間是否有緩沖區(qū)的過渡處對(duì)比見圖7。

圖6 加強(qiáng)筋參數(shù)示意圖

圖7 加強(qiáng)筋是否有緩沖區(qū)示意圖

3.4 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的汽車安全帶固定支架獲得了最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布，形貌結(jié)果見圖8。結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱處生成了許多形狀不同的加強(qiáng)筋，深色部分為起筋最大處，節(jié)點(diǎn)的最大變形量為2mm，出現(xiàn)的形貌較規(guī)整。

圖8 形貌結(jié)果云圖

3.5 優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)證分析

運(yùn)用hyperworks中的OSSmooth工具將優(yōu)化后的形貌應(yīng)用到原模型上，以方便結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化后的有限元模型在原工況下進(jìn)行CAE分析，其應(yīng)力圖和位移圖見圖9和圖10。支架優(yōu)化后的最大應(yīng)力為285.9MPa，最大位移為0.993mm，整體應(yīng)變能為0.523J。優(yōu)化前后對(duì)比見表2。整體質(zhì)量微量增加，力學(xué)性能得到較大改善。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比表

圖9 優(yōu)化后最大應(yīng)力圖

圖10 優(yōu)化后最大位移圖

4、結(jié)論

本文用hyperworks軟件對(duì)某汽車安全帶固定支架進(jìn)行了有限元建模、分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過有限元建模、分析，確定該支架的安全性需要提高，然后用形貌優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比，支架最大位移量降低36.7%，最大應(yīng)力降低17.6%，有效提高了安全性。本文不但為提高此汽車安全帶固定支架的安全性改進(jìn)提供了設(shè)計(jì)參考，而且提出了此類鈑金件設(shè)計(jì)開發(fā)的流程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，為其他類似薄壁件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

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Shape Optimization Design of the Automobile Seat Belt Bracket

Gao Zhibin, Wang Pan, Zhao Kai
( Qingdao Technological University, Shandong Qingdao 266520）

The finite element model of an automobile seat belt bracket was built by the HyperWorks software. The bracket of original design was carried out CAE analysis. The results show that the largest stress of the bracket of original design is 347MPa, which exceed 340MPa ,the yield strength of the material. So it need optimization. Using shape optimization technology determined the best distribution of reinforcement and optimize the design. The results showed that the maximum deformation of optimized automobile safety belts bracket was reduced by 36.7%, stress decreased by 17.6%, total strain energy decreased by 32.9%. The mechanical properties of car safety belts bracket was improved, which achieve the optimal effect.

shape optimization; bracket; finite element; CAE

TH122

A

1671-7988(2016)07-109-03

高志彬，副教授，就職于青島理工大學(xué)，研究方向?yàn)槠囯娮雍推噭?dòng)力學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.034