OptiStruct在提高安装点刚度中的应用

摘要：计算机辅助工程（CAE）技术已经在汽车设计领域得到广泛应用，仿真优化技术以其有效降低成本，缩短开发设计周期的特点而备受关注。Altair OptiStruct作为业界领先的优化软件，参与了提升某车型换挡机构安装点刚度的设计过程。在短时间内提出了提升换挡机构安装点刚度的优化设计方案，达到了整改问题的目标，有效的缩短了产品开发周期。
关键字：OptiStruct， 安装点刚度， 换挡机构， CAE

1 引言

在汽车开发过程中，一些零部件安装点的刚度不足会影响到零件的使用性能、装配性能等，提高安装点的刚度具有重要的意义和作用。

某车型在设计过程中，其换挡杆在受横向力作用时左右晃动量较大，不能满足设计要求。经过试验验证换挡机构本身刚度良好。换挡杆左右晃动量大是由于换挡机构安装钣金安装点刚度不足所造成。本文通过有限元优化设计软件OptiStruct的topology的功能，提出了一种不改动原有的结构增加加强板以提高安装点刚度的方案；又通过拓扑优化与形貌优化相结合，提出来一种换挡机构安装钣金的优化方案，大大提升了安装点的刚度，并且降低了车身的质量。

2 优化模型简介

本分析以换挡机构安装钣金上安装点附近区域为优化目标（下图1红色区域），优化模型包括白车身上换挡机构安装钣金附近的零件（如下图1所示）。由于换挡杆较长，在换挡杆顶端整车坐标系中Y向加力时，产生了很大的力矩，在换挡机构安装点Z向受力较大，因此主要考虑安装点Z向刚度。

图1 优化设计模型

3 优化问题描述

换挡机构安装钣金及其模型中其它零件材料为合金钢，合金钢的材料参数为：

弹性模量：210Gpa
泊松比：0.3

优化问题定义如下：

方案一：增加加强板。

设计变量是：单元密度
约束条件：设计区域体积分数
优化目标：最小化权重应变能（定义在四个安装点各自受Z向力的工况上）

方案二：优化换挡机构安装钣金的结构

设计变量： 内部生成的形状变量和单元密度
约束条件：设计区域体积分数
优化目标：最小化权重应变能（定义在四个安装点各自受Z向力的工况上）

4 优化分析介绍

4.1 计算原始模型的安装点刚度

换挡机构安装钣金厚度为1.2mm。下图2为安装点位置。

下表为计算结果：

4.2 方案一（增加加强板方案）优化过程

对于提高现有车型的安装点刚度，不允许对零件做大幅度的修改。在这种情况下在安装点附近附加加强板最容易实现。利用OptiStruct的Topology功能可以为加强板设计提供指导。

Topology优化设计模型如图1所示。红色部分为设计区域，预计加强板料厚为2mm，将设计区域壳单元料厚修改为3.2mm，以Fraction of design volume为约束条件，最小化Weighted compliance（定义在四个安装点各自受Z向力的工况上）为优化目标，进行Topology优化，计算结果如下图3所示。

根据Topology优化的计算结果，设计出的加强板如上图4所示。经过有限元验证，安装点刚度计算结果如下表所示

4.3 方案二（优化换挡机构安装钣金）优化过程

在车身钣金件的早期设计中，使用OptiStruct的Topology与Topography功能，得到钣金件的最优化结构，可以达到减轻车身重量，减低设计成本，缩短开发周期的目标。

使用Topology和Topography相结合对换挡机构安装钣金进行优化，优化设计模型如图1所示。计算结果如图5、图6所示。

用HyperMesh中的OSSmooth工具对Shape Change云图进行处理，如下图所示：

根据以上结果，设计出符合制造、安装等要求的换挡机构安装钣金的结构如下图所示。

经过有限元验证，以上模型（方案二）计算结果如下表所示。

5 优化分析结果

由以上分析，得到优化分析结果如下表所示。

由以上表中的结果可以得出使用OptiStruct的Topology和Topography相结合的功能，得到零件的最优结构，大幅的提升了安装点刚度并且减轻了重量。

6 结论

Altair公司的OptiStruct软件，是一款功能强大的优化器，可以有效的对产品进行结构优化分析。通过对实际问题的深入分析并结合该软件的灵活应用，能够在工程应用中达到很好的效果。

7 参考文献
[1] HyperWorks Users Manual, Tutorials: Altair