基于HyperWorks的车门外把手拓扑优化设计

摘要：拓扑优化技术的应用在汽车零部件结构优化和轻量化设计、车身结构设计中有着十分重要的现实意义。本文基于HyperWorks的拓扑优化技术探讨了车门外把手轻量化的可行性。根据外拉式车门外把手的受力与约束情况，对某轻型载货车门外把手原始结构进行了静力分析，并建立了外把手的拓扑优化概念模型；在外把手拓扑优化结果的基础上，根据人机工程要求对车门外把手进行了二次设计；将二次设计后的车门外把手新结构与原始结构进行了对比分析，结果表明：新结构在维持原有强度、刚度基本不变的情况下，质量较原始结构减轻了28.79%，轻量化效果明显。
关键词：车门外把手；刚度；拓扑优化；HyperWorks

0引言

拓扑优化是近几年结构优化研究的热点，其基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。拓扑优化设计能够使结构在满足有关约束条件下（如强度、刚度和稳定性等），使结构的某种性能指标（如刚度最大、质量最小）达到最优。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，并有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。将拓扑优化技术应用在汽车零部件结构优化和轻量化设计、车身结构设计中有着十分重要的现实意义。

汽车车门外把手虽然不影响汽车在结构上的整体性能，也不影响整车的动力性和经济性，但它是每位用户乘坐车时最先接触到的部件，属于外观件也属于功能件，因此对其外观质量和强度、开启舒适度提出较高要求。在维持或提高其性能的基础上，考虑其人机工程的轻量化设计思路在车门外把手的优化设计中有十分重要的研究意义。本文基于HyperWorks的拓扑优化技术探讨了某货车车门外把手轻量化设计的可行性。

1车门外把手静力分析

本文研究对象是某微型货车车门外把手，所用材料为锌合金，屈服强度283Mpa，其材料属性见表1。

1.1 边界条件的确定

有限元分析时，需要根据车门外把手的结构特点、载荷性质及分析目的选择适当的计算模型以达到分析计算经济合理的目的。边界条件反映了分析对象与外界之间的相互作用，是实际工况条件在有限元模型上的表现形式。通过分网生成的网格组合体定义了节点和单元数据，它并不是完整的有限元模型，因此还不能直接用于计算。只有定义了完整的边界条件，才能计算出需要的计算结果。边界条件的定义必须考虑到实际车门外把手的受力情况。

根据日常生活经验，门把手的受力主要是靠手心，手指握力，以大拇指为支点，进行旋转或提拉动作。因此，车门外把手受力较简单，仅受到人给把手作用的拉力，以及其旋转到极限位置（开启瞬间）所受到的阻力。设定人提拉车门把手的力为200N，并将200N以压强的形式加载在把手握持部位。静力分析时，在孔中心施加5个自由度约束（仅释放绕x轴的旋转自由度），并在舌端增加两个点的y轴位移约束。

1.2 原始结构静力分析

原始结构几何模型带圆角，手持部位为曲面，因此采用四面体单元划分实体网格。对模型施加均布压力，压强大小由拉力200N与受力面积1578.88mm2计算可得，为0.126Mpa。

对其进行静力分析，得到如图3、图4所示结果。最大位移为0.499mm，位于外把手末端；最大应力为63.9Mpa，位于舌端根部。

2车门外把手拓扑优化设计

2.1 概念模型及静力分析

将车门外把手原始结构进行简化，得到如图5所示的形状比较规整的概念模型。采用六面体单元划分网格，材料属性、加载方式以及约束条件不变。

对其进行静力分析，得到如下图7、图8所示结果。最大位移为0.583mm，最大应力为59.7Mpa，最大位移与最大应力点位置同原始结构。

2.2 拓扑优化

在材料属性、加载方式以及约束条件不变情况下，对车门外把手概念模型进行拓扑优化。拓扑优化首要任务是按照分析对象的基本结构确定拓扑优化区域，建立其优化模型。车门外把手概念模型划分为可设计域与非设计域两部分，如下图9所示。

确定优化设计三要素为：

（1）目标函数：质量最小。
（2）约束条件：应力，上限为100Mpa。
（3）设计变量：模型的单元密度。

为了得到一个对称的车门外把手结构，在建立拓扑优化变量时引入了对称约束。拓扑优化在经过59步的迭代计算后收敛，得到的结果如图10所示。

2.3二次设计及静力分析

车门把手为手持型工具，手的握持部位不得有尖角、锐棱、缺口，持握牢靠、方便、无不适感。因此门把手结构外形要切合人的手，各部分曲线须圆滑过渡；此外，根据第5百分位女性到第95百分位男性数据，手宽一般为71～97mm，合适的把手长度为100～125mm，从国标数据计算来看，男性掌厚约为24～30mm，女性的掌厚约为22～26mm，因此确定门把手的结构外形与尺寸也显得尤为重要。

对拓扑优化结果进行分析，并根据手握部位对尺寸的要求，在CATIA V5中对车门外把手进行了二次设计，结构如图11所示。

在材料属性、加载方式以及约束条件不变情况下，对二次设计后的新结构进行静力分析，有限元分析模型如图12所示。新结构静力分析结果如下图13、图14所示。最大位移为0.652mm，最大位移位置仍然在把手末端；最大应力为54Mpa，最大应力点已转移至把手根部。

2.4对比分析

参见表6，与原始设计相比，二次设计后的新结构最大位移值和应力值变化不大，重量减轻了0.0566kg，占原重量的28.79%。在基本维持原始设计强度、刚度要求的前提下，轻量化设计效果明显。

车门外把手的刚度是评价的依据，模型的刚度由模型的变形量直接反映。二次设计后的新结构的刚度略小于原始结构。分析其原因在于，原始结构在把手握持部位设计为弧面，其中部截面比两侧厚，主要受力位置分布较多的材料；而新结构模型在把手尾部的结构较薄，且其受力面近似平面，因此，在静力作用下的变形稍微有些增加，但并不影响整体的使用寿命。若想要提高二次设计结构的刚度，可以适当增加把手尾部的厚度，减小开槽的深度即可。

3结论

本文在充分利用基于有限元技术的结构优化设计工具HyperWorks以及三维CAD工具对某货车车门外把手进行了拓扑优化设计。与原始设计相比，在基本维持原始设计强度、刚度要求的前提下，二次设计后的新结构重量减轻了0.0566kg，占原重量的28.79%，轻量化设计效果明显。由此可以看到：

1）在产品设计初期，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，是设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品的基础。
2）拓扑优化已成为研究材料的有效利用以及轻量化设计的有效手段。
3）结构优化技术与三维CAD技术的集成与灵活的应用成为产品设计师得到最优设计的重要保证。

4参考文献
[1] 张胜兰，郑冬黎，郝琪等．基于HyperWorks的结构优化设计技术［M］．北京：机械工业出版社，2008
[2] 别辉，陈赣，史建鹏．结构优化在提高汽车车门外把手刚度上的应用[A]．结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）论文集[C]，2009
[3] 姚玉林．桑塔纳2000型轿车车门外把手受力分析[J]．汽车技术，2000.11