基于Hyperworks的油箱支架綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化

呂 川，王志方，梁會(huì)會(huì)，張 強(qiáng)，丁有治

(萬(wàn)豐控股集團(tuán)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(dǎo)致后果嚴(yán)重的交通事故。因此，在支架的設(shè)計(jì)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(gè)支架的載荷大小低于材料本身的強(qiáng)度極限。

Optistruct通過(guò)在給定的連續(xù)設(shè)計(jì)區(qū)域中找到最佳材料分布形式，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化從而在相應(yīng)約束下滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)要求。在此過(guò)程中可以更直觀地理解結(jié)構(gòu)內(nèi)部的負(fù)載的工作部分和傳輸路徑，并且便于產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)從而使用更少的材料，降低設(shè)計(jì)成本。本文綜合考慮了制動(dòng)，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，得到優(yōu)化的支架結(jié)構(gòu)，滿足幾種常見(jiàn)工況下的強(qiáng)度要求。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

優(yōu)化設(shè)計(jì)基于最優(yōu)化理論，其三要素分別是設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)和約束。設(shè)計(jì)變量是一組在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)生變化的參數(shù)，以提高性能。目標(biāo)函數(shù)是需要最佳設(shè)計(jì)性能并且與設(shè)計(jì)變量有關(guān)的函數(shù)。約束是設(shè)計(jì)約束，是設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求，其基本構(gòu)成如下所示。

其中X=(x1，x2，......，xn)是設(shè)計(jì)變量，f(X)是目標(biāo)函數(shù)，g(X)是不等式約束函數(shù)，h(X)是等式約束函數(shù)；為設(shè)計(jì)變量下限，為設(shè)計(jì)變量上限。在OptiStruct中，目標(biāo)函數(shù)f(X)、約束函數(shù)g(X)與h(X)是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

拓?fù)鋬?yōu)化在解決結(jié)構(gòu)剛度最大化問(wèn)題時(shí)，通常是轉(zhuǎn)化為柔度最小問(wèn)題來(lái)研究，這樣就可以用定義柔度的變量來(lái)間接地衡量剛度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：

2 油箱支架設(shè)計(jì)與工況

在考慮油箱，支架，縱梁，墊板和緊固帶之間作用關(guān)系的情況下，使用合理的結(jié)構(gòu)來(lái)模擬它們之間的接觸力傳遞以建立相關(guān)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(jié)構(gòu)特征，單元的平均尺寸定義為5 mm，油箱組件的網(wǎng)格參數(shù)如表1所示。

表1 油箱總成的網(wǎng)格參數(shù)

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(duì)于油箱中的燃料質(zhì)量通過(guò)RBE3單元連接到罐的內(nèi)表面，保證其質(zhì)量分布均勻，如圖2所示。為了使模型更接近實(shí)際工作條件，所有接觸部件建立group關(guān)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(nèi)壁單元節(jié)點(diǎn)，并從該點(diǎn)施加0.454t的滿載質(zhì)量。

圖1 模型各部位連接

圖2 油箱燃油質(zhì)量

油箱的質(zhì)量為52千克，支架組件的質(zhì)量為12.8千克。模型相關(guān)材料和屬性參數(shù)如表2所示。

表2 模型內(nèi)各零件材料參數(shù)與屬性

在整車坐標(biāo)系中，x，y，z是坐標(biāo)系中三個(gè)方向的坐標(biāo)值（正值為正，負(fù)值是反向），其中x是汽車的相反方向，y指向汽車的右側(cè)，z指向汽車的頂部。

油箱受到的極限載荷主要有剎車、轉(zhuǎn)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(dòng)載系數(shù)為1.5[4]，除靜載狀況下在az=-1g的重力載荷外，在過(guò)坑、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎三個(gè)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(jié)果與拓?fù)鋬?yōu)化

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

其中油箱支架的最大應(yīng)力如圖3所示，油箱支架的最大應(yīng)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(shí)，最大應(yīng)力值為175.1Mpa，考慮到1.5倍的安全系數(shù)，175.1262.25，低于屈服極限。

圖3 10mm平均厚度顛簸工況下的應(yīng)力分布

在hypermesh中進(jìn)行支架的質(zhì)量最小化設(shè)計(jì)以減輕材料，迭代直至收斂。根據(jù)圖4密度云圖顯示，藍(lán)色為可設(shè)計(jì)區(qū)域，可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減輕材料，紅色為不可設(shè)計(jì)區(qū)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(jié)構(gòu)已經(jīng)屬于加強(qiáng)筋，因此可以對(duì)紅色部分進(jìn)行的局部厚度優(yōu)化。

圖4 拓?fù)滟|(zhì)量?jī)?yōu)化的密度云圖

在可設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行鏤空處理以節(jié)省材料，在保持平均厚度的情況下，加強(qiáng)引力較大部分的局部厚度，通過(guò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)尋求最優(yōu)的平均厚度與局部厚度，如圖5所示。

圖5 加厚區(qū)域與鏤空區(qū)域

當(dāng)加厚最大應(yīng)力部位的厚度時(shí)，顛簸工況所受最大應(yīng)力值明顯下降，因此可以重新對(duì)平均厚度和局部厚度進(jìn)行尋優(yōu)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 平均厚度與局部厚度下的最大應(yīng)力

圖6 6mm平均厚度下局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)力分布

該形狀的油箱支架模態(tài)幅值以前三階最大，原始固有頻率分別為3.953HZ，6.765HZ，16.313HZ，優(yōu)化后固有頻率為3.964HZ，6.767HZ，16.334HZ，如圖7、圖8所示，可以認(rèn)為模態(tài)基本沒(méi)有發(fā)生變化，不存在增加共振危險(xiǎn)性的情況。

圖7 原始一階模態(tài)振幅

圖8 優(yōu)化后一階模態(tài)振幅

4 結(jié)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(duì)原油罐支架進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在保持靜剛度的條件下，以質(zhì)量最小的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化作為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖和密度云圖的研究，找到需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的區(qū)域和對(duì)荷載傳遞影響較小的區(qū)域。修改原始支架的厚度以獲得新的支架結(jié)構(gòu)，使其基本上保持原始靜態(tài)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(jié)省了鋁合金材料。