基于Optistruct軟件的翼子板剛度、模態(tài)的分析及優(yōu)化

劉家員， 王可洲， 周 偉

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100； 3.中國(guó)重汽集團(tuán) 辦公室，山東 濟(jì)南 250000)

基于Optistruct軟件的翼子板剛度、模態(tài)的分析及優(yōu)化

劉家員1， 王可洲2， 周 偉3

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100； 3.中國(guó)重汽集團(tuán) 辦公室，山東 濟(jì)南 250000)

運(yùn)用有限元分析法，基于Optistruct軟件對(duì)某車(chē)型前翼子板剛度及其模態(tài)進(jìn)行分析.翼子板有限元模型建立要求為：模型導(dǎo)入、幾何清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質(zhì)量檢查、載荷及工況加載.模型分析結(jié)果顯示鋁合金材料翼子板的剛度較大，耐沖擊能力較強(qiáng)，安全系數(shù)較高，相比于復(fù)合材料翼子板優(yōu)勢(shì)明顯.優(yōu)化方案設(shè)計(jì)將質(zhì)量以及靜態(tài)位移作為響應(yīng)，設(shè)置靜態(tài)位移為約束點(diǎn)，最小限度為1 mm；對(duì)于局部應(yīng)力點(diǎn)加強(qiáng)約束或者加入加強(qiáng)筋板.

翼子板；鋁合金材料；復(fù)合材料；剛度；模態(tài)；Optistruct

翼子板作為汽車(chē)的覆蓋件，將外板部和加強(qiáng)部形成一體，其中外板部露出車(chē)輛側(cè)面，加強(qiáng)部沿配置部件邊緣延伸，形成鄰接部件的配合部.在汽車(chē)翼子板的設(shè)計(jì)中，常關(guān)注翼子板的振動(dòng)以及剛度對(duì)汽車(chē)運(yùn)行的影響.翼子板是汽車(chē)車(chē)身一個(gè)較小的部件，也是汽車(chē)車(chē)身外覆蓋重要部件之一[1].翼子板是由復(fù)雜的曲面構(gòu)成，對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)的要求較高，傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)設(shè)計(jì)分析復(fù)雜工況會(huì)帶來(lái)計(jì)算冗長(zhǎng)、精確度低、工作強(qiáng)度大等問(wèn)題[2]，基于計(jì)算機(jī)輔助工程基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)能提高效率、縮短開(kāi)發(fā)周期、減少開(kāi)發(fā)成本.筆者以某公司的實(shí)際仿真項(xiàng)目為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元分析法模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用Hypermesh作為前處理、Optistruct作為求解器、Hyperview作為后處理器，對(duì)某車(chē)型翼子板剛度及其模態(tài)進(jìn)行分析，找其薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計(jì)人員提供優(yōu)化建議.

1 模態(tài)分析理論概述

1.1 模態(tài)分析理論簡(jiǎn)介

模態(tài)分析理論是在20世紀(jì)30年代，基于機(jī)械阻抗與導(dǎo)納的概念上發(fā)展起來(lái)的理論，同時(shí)借鑒了振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制等有關(guān)理論，形成一套有特色的理論體系.

模態(tài)分析是將線性時(shí)不變系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，坐標(biāo)變換的變換矩陣為振型矩陣，其每列即為各階振型[3].

有限元模態(tài)分析是建立在模態(tài)模型數(shù)值分析的基礎(chǔ)上的，模態(tài)的求解過(guò)程是在無(wú)阻尼、無(wú)外載情況下的模態(tài)矢量，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)模態(tài)來(lái)說(shuō)可以忽略模態(tài)頻率和振型的影響，結(jié)構(gòu)模態(tài)是材料本身的特殊性決定的，與外載或初始條件無(wú)關(guān)[4].

1.2 N自由度線性分析方程

N自由度線性系統(tǒng)微分方程對(duì)于N階線性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程表達(dá)如下：

(1)

由于模態(tài)分析法是利用無(wú)阻尼的主振型對(duì)應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)進(jìn)行分析，所以需要對(duì)公式(1)進(jìn)行解耦，對(duì)公式(1)進(jìn)行拉氏變換得：

(s2M+sC+K)X(s)=f(s)

(2)

其中，s為拉氏變換因子；X(s)為位移響應(yīng)；f(s)為拉氏變換激勵(lì).

任意L點(diǎn)的響應(yīng)為各階模態(tài)響應(yīng)的線性組合，引入模態(tài)坐標(biāo)Q:

xl(ω)=φl(shuí)1q1(ω)+φl(shuí)2q2(ω)+

其中，xl(ω)為頻域下的位移響應(yīng)，φl(shuí)r為L(zhǎng)點(diǎn)的第r階的振型系數(shù)，qr(ω)為第r階的模態(tài)坐標(biāo).

Φ=[φ1φ2…φN](振型矩陣),

Q={q1(ω)q2(ω)…qN(ω)}T(模態(tài)坐標(biāo)).

則有：X(ω)=ΦQ，

(K-ω2M+jωC)ΦQ=F(ω).

其中，F(xiàn)(ω)為頻域下的激振力;jω為等量替換式;ω為角速度.

2 翼子板有限元建模分析

2.1 Hyperworks 軟件簡(jiǎn)介

Hyperworks是美國(guó)Altair公司開(kāi)發(fā)的系列計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件，本研究運(yùn)用的Hypermesh是一個(gè)高性能前處理器.在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，Hypermesh作為前處理占到50%以上，成為國(guó)內(nèi)汽車(chē)領(lǐng)域工程分析常用的分析軟件[5].Optistruct 是Hyperworks 產(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工具，是Altair公司旗下比較著名的結(jié)構(gòu)分析求解器，本研究主要運(yùn)用此工具作為求解器.

2.2 建立翼子板有限元模型

建立有限元模型時(shí)盡量保持所有的特征線，這樣結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確，單元尺寸定為8 mm，對(duì)于圓角部分依然保持不變，將翼子板的7個(gè)安裝孔處創(chuàng)建墊圈，保證網(wǎng)格的質(zhì)量.有限元模型建立基本流程見(jiàn)圖1.

(1)模型導(dǎo)入

模型建立文件為Step文件，在Hypermesh中導(dǎo)入，由于Step文件屬性決定模型建立后失真程度幾乎為零，所以導(dǎo)入后對(duì)于原幾何幾乎不用修改，直接應(yīng)用即可.

圖1 有限元模型建立基本流程

(2)幾何清理

對(duì)幾何抽取中面直接處理，7個(gè)安裝孔加墊圈處理.由于翼子板所畫(huà)網(wǎng)格為8 mm，則對(duì)于1～2 mm的圓角影響到網(wǎng)格質(zhì)量的線合并或直接處理掉，在保證不影響分析的情況下將太小的孔直接去掉.

(3)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中最為重要的一步，也是最基礎(chǔ)的一步，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到分析質(zhì)量.本模型直接在處理的中面上采用混合類(lèi)型劃分網(wǎng)格.由于三角形本身就有穩(wěn)定性，在分析中會(huì)增加模型的剛度，分析的失真度增加，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)要合理控制三角形的數(shù)量.采用鋁合金材料，同時(shí)用復(fù)合材料作對(duì)比，將內(nèi)板和外板用包邊作連接處理.本模型網(wǎng)格劃分結(jié)果為：整體劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為8829個(gè)、網(wǎng)格數(shù)為8542個(gè).建立的有限元模型見(jiàn)圖2.

圖2 有限元模型

(4)網(wǎng)格質(zhì)量檢查

對(duì)于有限元分析來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格質(zhì)量檢查主要是針對(duì)網(wǎng)格的雅克比、長(zhǎng)寬比、三角形最大角度、四邊形最小內(nèi)角值的檢查.其中，網(wǎng)格劃分的雅克比最小值為0.31，四邊形最小內(nèi)角為20.68°，三角形最大內(nèi)角119°.

(5)載荷及工況加載

此翼子板采用螺栓的連接方式，通過(guò)Hypermesh做前處理，用剛性體模擬真實(shí)環(huán)境中的螺栓，在螺栓孔中施加約束為6自由度，建立邊界條件卡片，設(shè)置為模態(tài)類(lèi)型，在5個(gè)不同的位置抓取面積為25 mm×25 mm的剛性區(qū)域，建立局部坐標(biāo)，通過(guò)局部坐標(biāo)添加相同大小的法向力，以模擬與其他部件的非螺栓連接的受力情況.本模型主要以鋁合金材料翼子板和復(fù)合材料翼子板為例分析，并通過(guò)對(duì)比給出相應(yīng)的結(jié)論.鋁合金材料翼子板(AL)和復(fù)合材料翼子板(SMC)基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 鋁合金材料翼子板和復(fù)合材料翼子板基本參數(shù)

3 翼子板的模態(tài)及結(jié)構(gòu)分析

3.1 翼子板模態(tài)分析

將設(shè)置好的模態(tài)及剛度選項(xiàng)卡片的載荷工況提交給Optistruct求解器求解，通過(guò)Hyperview后處理軟件得到模態(tài)分析云圖，如圖3所示.

圖3 模態(tài)分析云圖

從模態(tài)云分析圖可以看出，模態(tài)是從非約束的地方開(kāi)始蔓延到內(nèi)部，實(shí)際蔓延的趨勢(shì)不大.鋁合金翼子板十階模態(tài)的數(shù)值見(jiàn)表2.

振動(dòng)模態(tài)是在無(wú)阻尼狀態(tài)下測(cè)得的，計(jì)算車(chē)身的固有頻率和振型，就可知道與其他系統(tǒng)的干擾程度.通過(guò)合理設(shè)計(jì)，會(huì)改善或消除共振的可能性，一般情況下車(chē)身結(jié)構(gòu)整體一階模態(tài)頻率越高越好[6].

表2 鋁合金材料翼子板十階模態(tài)數(shù)值

鋁合金材料翼子板與復(fù)合材料翼子板作對(duì)比分析時(shí)，只需要對(duì)比第一階固有頻率即可.復(fù)合材料翼子板十階模態(tài)見(jiàn)表3.復(fù)合材料翼子板第一階模態(tài)數(shù)值為42.9 Hz.本次模型分析是某主機(jī)廠試車(chē)翼子板，一階模態(tài)目標(biāo)值為50 Hz以上，按照模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果選擇鋁合金材料翼子板.

表3 復(fù)合材料翼子板十階模態(tài)數(shù)值

3.2 翼子板結(jié)構(gòu)剛度分析

在鋁合金材料翼子板件的5個(gè)不同位置施加50 N法向力，并對(duì)7個(gè)安裝孔施加6自由度的約束，法向力位置和約束位置見(jiàn)圖4和圖5.經(jīng)過(guò)Hyperview后處理器處理得到位移云圖和應(yīng)力云圖，取第5個(gè)位置的位移和應(yīng)力云圖，如圖6和圖7所示.

圖4 法向力位置

圖5 約束位置

圖6 位移云圖

圖7 應(yīng)力云圖

從圖6可以看到，鋁合金材料翼子板在某點(diǎn)的最大位移量值為3 mm，其節(jié)點(diǎn)號(hào)為3392.從圖7可看出鋁合金材料翼子板在某點(diǎn)的最大應(yīng)力值為78.8 MPa,其節(jié)點(diǎn)號(hào)為6677.但是總體來(lái)說(shuō)，其應(yīng)力值都小于翼子板材料的屈服極限值.對(duì)鋁合金材料翼子板和復(fù)合材料翼子板的5個(gè)不同位置的剛度、應(yīng)力、安全系數(shù)進(jìn)行模擬，具體數(shù)值見(jiàn)表4.

由表4可以看出，鋁合金材料翼子板的剛度、應(yīng)力較大，耐沖擊的能力較強(qiáng)，并且其安全系數(shù)也較高，相比于復(fù)合材料翼子板優(yōu)勢(shì)明顯.

4 優(yōu)化分析

汽車(chē)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了增加強(qiáng)度和穩(wěn)定性，要將翼子板盡可能多地施加約束或者連接固定件等，還可以將模態(tài)首先延伸的部位增加強(qiáng)件.同時(shí)翼子板為達(dá)到輕量化的目的，可以將應(yīng)力或位移不大的地方采用簡(jiǎn)化模型的處理方式.對(duì)于整個(gè)翼子板來(lái)說(shuō)，如果減小其整體厚度，則必須對(duì)局部集中大應(yīng)力區(qū)加以改進(jìn).

表4 鋁合金材料和復(fù)合材料翼子板不同位置模擬數(shù)值

基于Altair平臺(tái)的優(yōu)化板塊中給出鋁合金材料翼子板的優(yōu)化分析結(jié)果，如圖8所示.此優(yōu)化方案將質(zhì)量以及靜態(tài)位移作為響應(yīng)，這是由于金屬板材的翼子板在質(zhì)量方面不占優(yōu)勢(shì)，鋁合金材料翼子板計(jì)劃設(shè)置厚度為1.2 mm,現(xiàn)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)將靜態(tài)位移作為約束點(diǎn)，最小限度設(shè)置為1 mm.對(duì)于局部應(yīng)力點(diǎn)加強(qiáng)約束或者加入加強(qiáng)筋板等措施.為達(dá)到輕量化的目的，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在翼子板本身出現(xiàn)應(yīng)力幾乎為零的地方，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模態(tài)以及結(jié)構(gòu)剛度的分析，對(duì)于選擇鋁合金材料還是復(fù)合材料的翼子板，在分析時(shí)主要以第一階模態(tài)作為參考，通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鋁合金材料的模型會(huì)更勝一籌.隨著汽車(chē)的發(fā)展以及技術(shù)的要求，輕量化設(shè)計(jì)將成為主流趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)模態(tài)云圖或者位移以及應(yīng)力云圖的分析，在未施加約束的地方往往是翼子板的薄弱環(huán)節(jié).所以，如何克服結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的是后期研究者所要關(guān)注的重點(diǎn).

圖8 鋁合金翼子板的優(yōu)化分析

[1] 馮晉祥.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社,2007：245-247.

[2] 解躍青,雷雨成.商務(wù)用車(chē)車(chē)身有限元建模及分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2002,2(2):52-53.

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Structure,modeandoptimizationoftheOptistruct-basedsoftwareforcarfenders

LIU Jia-yuan1, WANG Ke-zhou2, ZHOU-Wei3

(1. School of Auto Engineering, Liaoning College of Technology, Jinzhou, Liaoning 121001, China;2. School of Mechanics and Electronics, Shandong College of Agricultural Engineering, Jinan, Shandong 250100, China;3. Office, China Sinotruk Group, Jinan, Shandong 250000,China)

This study describes Optistruct-based analysis of the stiffness and finite element modes on auto fenders in relation to the import, geometrical cleaning, mesh clarification, quality control, working loads and conditions. Results show that stiffness of aluminum alloy material is more intense, impact resistance stronger, and safety index higher. That is superior to composite fenders. Moreover, optimization is done in designing with quality and static displacement as response, the static displacement as constraint within a minimum of 1 mm to join a local stress point to reach the goal of lightweight. Where there is zero of a local stress point, the lightweight design is possible.

fender; aluminum alloy; composite material; stiffness; modal; Optistruct

2017-05-26

劉家員(1991-)，男，山東日照人，遼寧工業(yè)大學(xué)2015級(jí)車(chē)輛工程專業(yè)在讀碩士研究生；

王可洲(1965-)，男，山東濟(jì)南人，山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院講師；

周 偉(1989-)，男，山東日照人，中國(guó)重汽集團(tuán)工程師.

1009-4873(2017)06-0001-05

U463.99

A

吳瑞紅