OptiStruct在織物前罩蓋板優(yōu)化分析中的應(yīng)用

胡劍鋒，錢攀，汪海波，劉剛，黃俊逸，王卯升

上海坤剛復(fù)材技術(shù)有限公司 上海 201100

隨著汽車輕量化趨勢(shì)的日益推進(jìn)，各汽車企業(yè)在汽車結(jié)構(gòu)件滿足一定性能要求的前提下，通過不斷優(yōu)化汽車零部件厚度、結(jié)構(gòu)及引用新材料、新工藝等方式，達(dá)到減重的目的。其中，在引用新材料措施中，織物復(fù)合材料備受各車企的青睞。

織物前罩蓋板具有質(zhì)量輕、剛度強(qiáng)等特點(diǎn)，但織物鋪層方案不合理，就會(huì)引起不必要的成本或者剛度不足的問題。如何在滿足蓋板剛度性能的前提下，合理鋪層設(shè)計(jì)，達(dá)到減重的目的，成為汽車企業(yè)關(guān)心的問題。通過尺寸優(yōu)化可以確定蓋板的厚度，織物材料的鋪層數(shù)，在滿足蓋板結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)減輕重量。

基礎(chǔ)分析

1.有限元模型的建立

某車型織物前罩蓋板的剛度性能對(duì)標(biāo)其合金鋼前罩蓋板，織物蓋板優(yōu)化前暫定織物鋪層數(shù)為40層，單層厚度為0.5mm，方向?yàn)?°與45°交叉鋪層。利用HyperMesh根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的CAD模型進(jìn)行有限元模型的建立：前罩采用shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分、縫焊采用體單元進(jìn)行模擬。有限元模型如圖1所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表1。

圖1 前罩蓋板有限元模型

表1 前罩模型節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)

2.材料信息

計(jì)算中所使用的材料參數(shù)分別見表2、表3。

表2 合金鋼材料參數(shù)表

表3 織物材料參數(shù)表

前罩蓋板扭轉(zhuǎn)剛度分析

1.邊界條件

前罩蓋板扭轉(zhuǎn)剛度分析約束蓋板車身連接側(cè)鉸鏈位置1、2、3、4、5、6自由度，約束鎖鉤位置3自由度，在蓋板軸線兩側(cè)施加100N垂直于加載點(diǎn)平面的法線載荷，如圖2所示。

圖2 金鋼蓋板前罩剛度分析邊界條件

2.計(jì)算結(jié)果

測(cè)量最大位移，位移云圖如圖3所示。從位移云圖可看出，前罩蓋板最大位移為0.565mm。

圖3 合金鋼蓋板剛度分析位移云圖

優(yōu)化分析

1.建立模型

優(yōu)化模型蓋板屬性鋪層數(shù)設(shè)置為40層，0°與45°各20層，單層厚度為0.5mm，金屬件設(shè)置厚度均為10mm，以確保前罩結(jié)構(gòu)能滿足剛度性能要求，從而進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確定鋪層設(shè)計(jì)和各零部件厚度。邊界條件設(shè)置同合金鋼前罩，約束蓋板車身連接側(cè)鉸鏈位置1、2、3、4、5、6自由度，約束鎖鉤位置3自由度，在蓋板軸線兩側(cè)施加100N垂直于加載點(diǎn)平面的法線載荷，如圖4所示。

圖4 織物蓋板前罩剛度分析邊界條件

2.尺寸優(yōu)化

（1）優(yōu)化性能要求 最大位移不超過合金鋼前罩蓋板位移量，即最大位移≤0.56mm。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)變量 對(duì)前機(jī)罩織物蓋板與金屬件進(jìn)行變量設(shè)置，其中對(duì)織物蓋板0°與45°鋪層設(shè)置相同的厚度設(shè)計(jì)變量，保持均衡對(duì)稱鋪層。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)約束 具體約束如下：

1）玻纖織物材料應(yīng)變約束為壓縮應(yīng)變?cè)S用值2500με，拉伸應(yīng)變?cè)S用值2500με，剪切應(yīng)變?cè)S用值5000με。

2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移約束，設(shè)置最大位移為0.56mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域如圖5所示。

圖5 織物蓋板監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域示意

3）尺寸約束，復(fù)材件單層范圍為0.5～10mm，金屬件單層范圍為0.1～10mm。

4）鋪層占比約束，設(shè)置鋪層比例為10%～60%。

5）鋪層均勻?qū)ΨQ約束，優(yōu)化模型中鋪層屬性均設(shè)置對(duì)稱鋪層。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo) 在滿足所有優(yōu)化設(shè)計(jì)約束的條件下，前罩優(yōu)化模型質(zhì)量最輕。

（5）優(yōu)化迭代曲線 織物蓋板優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)迭代曲線如圖6所示，設(shè)計(jì)約束最大違反曲線如圖7所示。

圖6 織物蓋板優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)迭代曲線

圖7 織物蓋板優(yōu)化設(shè)計(jì)約束最大違反曲線

（6）優(yōu)化分析厚度分布 優(yōu)化分析厚度分布如圖8所示，其中織物材料屬性設(shè)置厚度對(duì)稱選項(xiàng)，實(shí)際優(yōu)化厚度為圖中值乘以2，厚度單位為mm。最終零部件厚度確定以及鋪層方案見表4。

圖8 厚度分布

表4 厚度及鋪層方案

（7）優(yōu)化驗(yàn)證分析結(jié)果 根據(jù)表4，設(shè)置模型中屬性厚度值，即零部件厚度。其中，織物蓋板屬性設(shè)置對(duì)稱鋪層，從圖中得知，總厚度可設(shè)置為10mm，0°與45°鋪層各總厚度5mm，單層0.5mm，0°與45°各鋪10層，總層數(shù)為20層，交叉順序鋪層，即0 °鋪完一層，鋪45°，設(shè)置好上述厚度值，進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化分析，分析結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出位移最大值為0.47mm。

圖9 織物蓋板前罩剛度分析位移云圖

結(jié)語

通過對(duì)織物蓋板前罩的拓?fù)鋬?yōu)化，確定了各零部件的厚度值，織物蓋板的鋪層數(shù)，與合金鋼蓋板前罩剛度性能基本一致，達(dá)到減輕質(zhì)量的目的，分析結(jié)果對(duì)比見表5。

表5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

從表中數(shù)據(jù)可知，織物蓋板前罩最大位移小于合金鋼蓋板前罩，滿足對(duì)標(biāo)要求，重量較合金鋼蓋板前罩大幅下降，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在滿足性能指標(biāo)的前提下，通過OptiStruct優(yōu)化分析，可以計(jì)算材料的最佳厚度，織物的最佳鋪層方案，為設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)，有效縮減設(shè)計(jì)周期。