基于OptiStruct的某電瓶箱支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

周利，王淼，陸豪，魯曉虎

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基于OptiStruct的某電瓶箱支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

周利，王淼，陸豪，魯曉虎

（陜汽集團(tuán)技術(shù)中心，陜西 西安 710000）

文章基于OptiStruct軟件對某汽車電瓶箱支架進(jìn)行了拓?fù)湫蚊猜?lián)合優(yōu)化及尺寸優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的一階模態(tài)頻率、最大應(yīng)力以及質(zhì)量進(jìn)行對比。結(jié)果表明，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率與原結(jié)構(gòu)相等，最大應(yīng)力增加5%，但仍處于安全許用范圍內(nèi)，優(yōu)化后電瓶箱質(zhì)量比優(yōu)化前減小23.6%，減重效果明顯。

電瓶箱支架；拓?fù)湫蚊猜?lián)合優(yōu)化；尺寸優(yōu)化；OptiStruct

前言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，能源需求與環(huán)境保護(hù)的壓力日益嚴(yán)峻。如何減少汽車的能源消耗和尾氣排放已成為世界各國與各大車企亟待解決的問題。汽車輕量化為解決這一問題提供了可能。

汽車輕量化技術(shù)主要分為：輕量化材料、先進(jìn)制造工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等3個主要方面[1]。在輕量化材料方面，用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合合金、塑料及復(fù)合材料代替普通鋼來制造汽車部件已成為一個發(fā)展方向[2-4]，如高強(qiáng)度鋼以被應(yīng)用于汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向等零件。在使用輕量化材料的同時，先進(jìn)的制造工藝也得到廣泛應(yīng)用，如液壓成型、激光焊接等；根據(jù)液壓成型技術(shù)開發(fā)商Vari-Form統(tǒng)計(jì)表明，相對于傳統(tǒng)的沖壓—焊接工藝，液壓成型工藝可以降低11%的零件成本，14%的設(shè)備成本，并能減輕7.3%的質(zhì)量[5]。2000年后，CAE已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零部件及整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6-9]，基于CAE分析的汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為輕量化的首選方法。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要的方法有：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、自由形狀優(yōu)化、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等[10-11]。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于乘用車及卡車領(lǐng)域。崔彥彬等[12]對某乘用車副車架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕了副車架質(zhì)量，為同類型副車架的開發(fā)提供了參考價值。關(guān)俊山和萬小金對某型乘用車手剎進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小了材料的磨損量，提高了手剎的使用壽命，縮短了研發(fā)周期[13]。張林等[14]對中橋及后橋氣室支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足剛度及強(qiáng)度要求的同時，總重減少了14.98kg約28.5%，帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。許菁等[15]對車門的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)了車門的模態(tài)特性，為車門的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

電瓶箱支架作為卡車的一個重要部件，在滿足使用要求的同時，還需減輕其質(zhì)量，增加整車的經(jīng)濟(jì)型。目前，電瓶箱支架的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要參照具體車型與實(shí)驗(yàn)，容易造成材料浪費(fèi)并增加質(zhì)量，無法達(dá)到輕量化要求[16]。本文采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對電瓶箱支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，將基于OptiStruct對電瓶箱支架進(jìn)行拓?fù)湫蚊布俺叽鐑?yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新構(gòu)建模型，并將與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。

1 電瓶箱支架有限元分析

1.1 有限元模型的建立

電瓶箱支架由支撐板、底板、側(cè)板、內(nèi)板、后板、后封板、中板、連接板以及外板構(gòu)成。其中支撐板材料為Q235，底板、側(cè)板以及后封板材料為DC01-FC，內(nèi)板、外板、中板及連接板的材料為510L。上述材料的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。采用HyperMesh對模型進(jìn)行前處理。

表1 電瓶箱支架材料參數(shù)表

由于該支架均由板殼件構(gòu)成，因此使用2D單元來建立其有限元模型。2D單元以四邊形為主，避免采用過多的三角形單元引起局部剛性過大[5]，單元模型如圖1所示，共計(jì)65000個單元及68000個節(jié)點(diǎn)。經(jīng)查網(wǎng)格質(zhì)量良好，可用于后續(xù)計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 邊界條件及工況載荷

圖1 電瓶箱支架有限元模型

對上述有限元模型施加約束與載荷，在沖擊工況下施加Z向加速度，轉(zhuǎn)彎工況下施加Z向加速度及Y向加速度，制動工況下施加Z向加速度及X方向加速度；將電池以質(zhì)量點(diǎn)的形式施加在電瓶箱支架的支撐板上，上下電池質(zhì)量均為73kg。約束電瓶箱支架的連接板安裝孔自由度123456。同時，求解該電瓶支架的前6階約束模態(tài)。邊界條件如圖1所示。

1.3 有限元分析結(jié)果

針對電瓶箱支架的上述四中工況，進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析。在沖擊、制動及轉(zhuǎn)彎工況下該模型最大應(yīng)力與最小安全系數(shù)如表2所示。表2中最大應(yīng)力為整個模型在對應(yīng)工況下的最大Von Mises應(yīng)力，最小安全系數(shù)為材料Q235、DC01- FC、510L的屈服強(qiáng)度除以由上述材料構(gòu)成的零件在相應(yīng)工況下的最大應(yīng)力。表3為電瓶支架的前6階約束模態(tài)。

表2 電瓶箱支架優(yōu)化前結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與最小安全系數(shù)

表3 電瓶箱支架優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的前階約束模態(tài)

由2可知，電瓶箱支架在沖擊、轉(zhuǎn)彎、制動工況下的的最小安全系數(shù)偏大，未能完全發(fā)揮材料的性能，因此在不降低其一階模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上，有必要對電瓶箱支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕重量。

2 電瓶箱支架優(yōu)化

2.1 電瓶箱支架支撐板的拓?fù)渑c形貌聯(lián)合優(yōu)化

電瓶箱支架的支撐板質(zhì)量較大，并且表面較為規(guī)整，因此選擇該零件進(jìn)行拓?fù)浜托蚊猜?lián)合優(yōu)化。圖2為支撐板優(yōu)化模型圖，原模型中質(zhì)量點(diǎn)施加在設(shè)計(jì)在空間上，質(zhì)量點(diǎn)的施加對約束模態(tài)頻率的影響較大，因此在優(yōu)化該模型的過程中，暫不施加質(zhì)量點(diǎn)，僅提高該零件的剛度并減輕其質(zhì)量。

圖2 電瓶箱支架支撐板拓?fù)渑c形貌聯(lián)合優(yōu)化模型

2.1.1 建立拓?fù)渑c形貌優(yōu)化變量

在優(yōu)化過程中包含加強(qiáng)筋并且減小質(zhì)量，所以需設(shè)置拓?fù)渑c形貌優(yōu)化變量。

2.1.2 建立優(yōu)化響應(yīng)

為使剛度最大化并提高一階約束模態(tài)頻率，定義兩個響應(yīng)：一階模態(tài)頻率和柔度，該柔度由前6階模態(tài)加權(quán)定義，加權(quán)因子均設(shè)為1，然后由軟件作歸一化處理。

2.1.3 建立約束

將優(yōu)化前的電瓶箱支架的支撐板施加如圖2所示的約束，計(jì)算得到其一階模態(tài)為133.7HZ，因此在優(yōu)化過程中約束其第一階模態(tài)，使其大于135HZ。

2.1.4 建立優(yōu)化目標(biāo)

將柔度最小化作為優(yōu)化目標(biāo)。

將上述優(yōu)化設(shè)置完成后，調(diào)用OptiStruct求解，得到其變形云圖與密度云圖如圖3、圖4所示。由圖3可見，設(shè)計(jì)空間的兩側(cè)變形較大，其余區(qū)域變形較小，可以將兩側(cè)作為起筋區(qū)域。由圖4可見，設(shè)計(jì)空間中間部分的單元密度較小，可以將此處材料去除以減輕重量。參考優(yōu)化后的變形云圖與單元密度云圖，并兼顧工藝以及制造成本，重新設(shè)計(jì)幾何模型，如圖5所示。

圖3 電瓶箱支架支撐板拓?fù)渑c形貌聯(lián)合優(yōu)化的變形分布云圖

圖4 電瓶箱支架支撐板拓?fù)渑c形貌聯(lián)合優(yōu)化的密度分布云圖

圖5 優(yōu)化后的電瓶箱支架支撐板結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的有效性，對優(yōu)化后的電瓶箱支架的支撐板進(jìn)行有限元分析，并與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率、質(zhì)量和剛度進(jìn)行對比，如下表4所示。由表4可見，優(yōu)化后支撐板的一階模態(tài)頻率相對于優(yōu)化前提升2%；優(yōu)化后支撐板的質(zhì)量比優(yōu)化前下降11%；相對于優(yōu)化前，優(yōu)化后的剛度下降3.2%，但仍然滿足使用要求，優(yōu)化后剛度下降的主要原因是模型的重構(gòu)。

表4 優(yōu)化前、后主要指標(biāo)率對比表

2.2 電瓶箱支架的尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是通過調(diào)整板材厚度或者截面尺寸等參數(shù)，在滿足約束的前提下，得到參數(shù)的最優(yōu)值。本文選擇板材的厚度作為尺寸優(yōu)化變量，在不降低一階模態(tài)頻率且不影響使用功能的前提下尋找板材厚度的最優(yōu)組合并減小支架整體質(zhì)量。在尺寸優(yōu)化模型中，支撐板采用拓?fù)渑c形貌優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并將質(zhì)量點(diǎn)施加在支撐板上。相對于制動和轉(zhuǎn)彎工況，沖擊工況下支架的安全系數(shù)明顯較小，且優(yōu)化過程中需保證支架的一階模態(tài)頻率無明顯下降，故將沖擊與約束模態(tài)作為優(yōu)化工況。

2.2.1 建立尺寸優(yōu)化變量

電瓶箱支架的構(gòu)成如上圖1所示。以模型中的9個零件厚度作為尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，根據(jù)Q235、510L以及DC01-FC等材料板材的厚度選用標(biāo)準(zhǔn)，確定9個零件板材厚度變化范圍，具體數(shù)值如下表5所示。

表5 電瓶箱支架零件厚度變量取值范圍表

2.2.2 建立響應(yīng)

將質(zhì)量、沖擊工況下的應(yīng)力以及一階約束模態(tài)頻率作為響應(yīng)。

2.2.3 建立約束

原結(jié)構(gòu)一階約束模態(tài)頻率為31.3HZ，由于后續(xù)需對板材厚度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為留下調(diào)整余量，約束一階模態(tài)頻率使其大于33HZ，約束最大應(yīng)力使其小于230MPa。

2.2.4 建立優(yōu)化目標(biāo)

將質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)。

將優(yōu)化變量、響應(yīng)、約束及目標(biāo)定義完成后，調(diào)用OptiStruct進(jìn)行求解，得到優(yōu)化后零件的厚度變化云圖圖6，由圖6可知，最大厚度值出現(xiàn)在連接板處，最小厚度數(shù)值出現(xiàn)在側(cè)板處。由于優(yōu)化后的板材厚度并非為常用數(shù)值，因此需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對優(yōu)化后的板材厚度就近取值，零件的最終厚度取值如表6所示。

圖6 電瓶箱支架零件優(yōu)化后厚度云圖

表6 電瓶箱支架尺寸優(yōu)化表

3 結(jié)果校核

根據(jù)拓?fù)湫蚊猜?lián)合優(yōu)化及尺寸優(yōu)化的結(jié)果，重新建立有限元模型驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性并與原模型進(jìn)行比較，對比結(jié)果如下表7所示。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化前與優(yōu)化后最大應(yīng)力均出現(xiàn)在沖擊工況中，故表7中最大應(yīng)力實(shí)際為沖擊工況中的最大應(yīng)力值。由表7可見，優(yōu)化后電瓶箱支架的一階約束模態(tài)頻率與優(yōu)化前取值相同；最大應(yīng)力小幅增長，但仍處于安全許用范圍；相對優(yōu)化前，優(yōu)化后電瓶箱支架質(zhì)量減少12.4kg，降幅達(dá)23.6%，減重效果明顯。

表7 優(yōu)化前后主要指標(biāo)對比表

4 結(jié)論

本文通過對電瓶箱支架在沖擊、轉(zhuǎn)彎、制動工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)較大且電瓶箱支架質(zhì)量超重。采用OptiStruct對該支架進(jìn)行拓?fù)湫蚊猜?lián)合優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化，對優(yōu)化后的模型重構(gòu)并進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示優(yōu)化后電瓶箱支架的一階頻率與優(yōu)化前相同，最大應(yīng)力增加5%，但處于安全使用范圍，質(zhì)量減少12.4kg，降幅達(dá)到23.6%，減重效果明顯。

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Optimization design of the bracket of a Battery box based on OptiStruct

Zhou Li, Wang Miao, Lu Hao, Lu Xiaohu

( Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710000 )

Based on OptiStruct, this paper performed the combined topology and topography optimization and size optimization of the bracket of an automobile battery box.In addition,the first set modal frequency, maximum stress and quality of original structure and optimized structure is compared. The Results show that the first set modal frequency of the optimized structure is the same as that of the original structure, the maximum stress increased by 5%, but is still in the allowable range, after optimization, the quality of the battery box decreased by 23.6% compared with that before optimiza -tion, and the effect of weight reduction is obvious.

the bracket a Battery box; combined topology and topography optimization; size optimization; OptiStruct

A

1671-7988(2018)18-155-04

U462.2

A

1671-7988(2018)18-155-04

CLC NO.: U462.2

周利，就職于陜汽集團(tuán)技術(shù)中心，碩士，CAE工程師，主要研究方向?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.053