OptiStruct优化技术在汽车行李箱盖设计中的应用

摘要：采用OptiStruct软件提供的优化工具，对某汽车行李箱盖进行结构优化。采用自由尺寸与拓扑优化组合方式，得到该行李箱盖内板总成料厚和防震胶材料的最佳分布，并在此基础上设计出新的行李箱盖内板与铰链加强板结构。与优化之前相比，此行李箱盖不仅重量更轻，而且在整体、局部刚度以及约束模态方面的性能有大幅提升。实践证明，该方法可以在汽车开发初期为结构设计提供有效的指导。
关键词：自由尺寸优化；拓扑优化；行李箱盖

1 前言

随着经济与环境的压力逐渐增大，轻量化设计的思想在汽车行业的发展中日益凸显，尤其是占整车质量近40%的白车身更成为轻量化设计的先头兵。但是沿用传统的开发流程，设计高性能和低重量的车身对汽车开发周期和成本是一个重大挑战，如今使用CAE结构优化技术则可以快速高效的完成这一使命。文献2中韩旭等人使用HyperWorks软件对白车身结构件的料厚进行优化，使得白车身重量降低6%的同时，车身的弯曲、扭转刚度以及一阶扭转性能都有不同程度的提升。

本文以某汽车的行李箱盖设计为例，在汽车概念开发阶段使用HyperWorks旗下的优化工具—OptiStruct，采用拓扑优化和自由尺寸优化组合的方式对行李箱盖内板总成进行优化，确定了内板的结构以及铰链加强板的位置与大小，并据此优化结果设计出满足工艺的结构。通过对比分析，该行李箱盖不仅刚度、模态较好，而且与同类车型相比，其质量也较有优势。

2 优化模型的建立

2.1 优化设计的数学模型

优化设计以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。优化问题可用如下的数学语言来表示：

2.2 自由尺寸与拓扑组合优化模型

针对不同的目的，选择不同的设计变量，优化的侧重点也不同。以单元密度或结构材料作为设计变量的拓扑优化可以在给定的设计空间内找到最佳的材料分布；以板壳单元的料厚为设计变量的自由尺寸优化则可以在板壳结构上找出最优的料厚分布。

把自由尺寸优化和拓扑优化结合起来，在相同的约束下为实现同一目标对结构同时进行不同类型的优化，即为自由尺寸与拓扑的组合优化。其数学模型为：

式中，xi料厚为自由尺寸优化设计变量；密度ρi为拓扑优化设计变量；Y(X,ρ)为组合优化的耦合变量；f(y)是组合优化的目标函数；f(x)和f(ρ)分别为拓扑和自由尺寸优化区域的子目标函数；C(yi)和D(yi)分别为组合优化的约束函数；xmin和xmax分别为自由尺寸优化的最大和最小允许料厚。

3 行李箱盖的优化设计

造型确定后行李箱盖的外板是不可变动的，除了密封面和一些重要的安装面外，行李箱盖内板系统上还有相对较大的设计空间。为了既满足轻量化又保证性能需求，需要得到最优的内板和铰链加强板的设计方案。

本文中行李箱盖的优化设计主要对其约束模态，横向刚度（结果用加载点位移表示）、两个扭转刚度进行校核，并以这些性能的设计目标值作为约束条件，同时设计变量的质量也是约束条件之一，组合应变能指标则作为本次优化设计的目标。

3.1 自由尺寸和拓扑的组合优化

选择行李箱盖内板总成以及涂胶区域分别作为自由尺寸和拓扑优化的设计空间，如图1中的黄色和红色区域所示。

在行李箱盖分析模型上定义设计变量、约束条件以及目标响应。经过20次迭代收敛，得到的内板料厚以及涂胶区域胶材料分布空间如图2所示。得到行李箱盖内板上对其整体性能影响较小的区域，即优化结果中料厚分布较薄的区域，这些区域可以设计为空腔结构。

3.2 内板总成的二次优化

根据组合优化结果，去除掉内板上对行李箱盖性能影响较小部位的材料，并重新布置涂胶位置，得到行李箱盖内板结构如图3所示，其中红色区域为涂胶位置。

将得到的内板结构作为二次优化的设计空间（图3中的黄色区域），以内板材料作为设计变量，约束条件和目标响应与上轮相同。通过优化分析最终得到最优的内板料厚分布，如图4所示。

根据优化结果，与设计人员多次讨论，同时参考工艺可行性和成本的影响，最终设计出行李箱盖内板与铰链加强板的结构如图5所示。

图5 行李箱盖内板及铰链加强板最终设计方案

对最终的设计方案进行了性能分析验证。结果表明，虽然部分性能有降低，所有指标均达到了设计的目标要求，结果见表1所示。相对于目标值，原设计方案中扭转刚度过设计较多，而其他性能则不满足目标要求，此次优化的最终方案对这些性能做了均衡调整，在整体重量下降的前提下，使得所有的性能都达到目标要求。因此新方案的扭转刚度有些降低。

表1 原方案与新方案性能指标对比

与同类车型的行李箱盖相比，总体上看本行李箱盖不仅性能好，且重量也相对较低，见表2。

表2 本行李箱盖性能指标与其他车型对比

备注：表中以优化设计的行李箱盖的性能作为标准值1，其他车型的性能和它对比。

4 结论

（1）采用自由尺寸优化方法可以在给定的设计空间内给出结构最佳的料厚分布，为钣金结构的设计，去除材料设计、加强筋的布置或者加强板的料厚与形状设计提供有效的理论依据。

（2）局部的拓扑与尺寸优化的组合，可以使得整体的料厚分布与局部材料布置同时达到最优，这在轻量化和效率要求日益提高的今天相当有效。

5 参考文献
[1] 龙江启. 车身轻量化和钢铝一体化结构新技术的研究进展. 机械工程学报. 2008（4）.
[2] 韩旭. 基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究. 汽车工程. 2007（29）.
[3] 孙靖民. 机械优化设计. 北京: 机械工业出版社. 2009.
[4] 张胜兰. 基于HyperWorks的结构优化技术. 北京: 机械工业出版社. 2007.
[5] 卢健志. 基于拓扑和尺寸组合优化的ATV车身轻量化研究. 中北大学学报, 2012,(2)