有限元分析和結構優化設計

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關鍵字:有限元越野車強度分析模態分析結構優化

在建立某越野車后掀門有限元模型的基礎上,采用 OptiStruct軟件進行某越野車后掀門結構強度分析和模態分析。針對分析中出現的結構強度不足的問題,采用 OptiStruct軟件進行結構優化設計,提高結構強度,滿足工程設計要求。

1 概論
隨著汽車技術的發展,車身結構趨于輕量化設計。傳統上的采用加厚鈑金件厚度等提高強度的方法已經被淘汰。傳統設計是一種基于經驗的設計方法,不可避免地出現盲目性。設計中實際上采用的是嘗試的方法,一種方法不行,再試另外一種方法。這樣做不僅費時,也造成了不必要人力和財力的浪費。隨著現代有限元技術和設計理念的發展,更多地借助于計算技術來完成相關的設計。本文基于 OptiStruct軟件,針對某越野車后掀們原設計強度不足的問題,采用 OptiStruct進行形貌優化,在不增加重量的前提下,提高結構強度。

2 有限元模型的建立
2.1 有限元網格劃分
模型前處理采用 Altair HyperMesh軟件。針對后掀門為鈑金結構的特點,網格劃分采用四邊形網格,在過渡區域采用適當個數的三角形單元。建立的模型如圖所示。模型信息如表所示。

有限元分析和結構優化設計solidworks simulation分析圖片1

圖 1原設計結構的有限元模型圖 2原設計結構有限元分析的邊界條件

表 1有限元模型規模信息

有限元分析和結構優化設計solidworks simulation分析圖片2

2.2 有限元載荷和邊界條件

計算中,在后掀門中間位置上(最為危險的位置)。在相應位置上施加由上述載荷產生
的作用力。如圖所示,后掀門在安裝點通過銷結構進行裝配。有限元計算分析時,約束四個安裝銷處的平動自由度。從而建立某越野車后掀門結構的約束系統。

2.3 材料模型
建立有限元模型時,采用 MAT1材料模型進行材料建模,材料相關參數如表所示。

表 2材料 STEEL的參數

有限元分析和結構優化設計solidworks simulation分析案例圖片3

3 結構強度計算分析
載荷和邊界條件如前所述,原設計結構應變和應力云圖分別如圖 3和圖 4所示,最大形變位移和最大應力如表 3所示。原設計的最大應力達到了 498MPa,而材料的抗拉強度為 540MPa~695MPa,這個應力值已經大于材料的屈服極限,接近抗拉強度,可以說結構的設計在某種程度說存在問題。需要修改設計。

有限元分析和結構優化設計solidworks simulation分析案例圖片4

圖 3原設計形變位移云圖圖 4原設計應力云

圖表 3結構的最大應力和最大形變位移及約束反力的比較

有限元分析和結構優化設計solidworks simulation分析案例圖片5 4 模態計算分析

為了評價結構的模態振動特性,進行結構的自由模態和約束模態分析。自由模態采用自由-自由邊界條件,而約束模態采用的約束條件和結構強度分析相同。 OptiStruct求解器默認采用 Lanczos算法進行結構振動平衡方程特征值提取,進而計算出結構的振動頻率。某越野車后掀門的前六階模態頻率如表 4所示。

表 4四種結構的自由模態和約束模態的模態頻率

5 結構優化設計
5.1 OptiStruct優化方法

結構優化問題就是在一定的約束條件下(約束函數 constraint function)通過對結構設計參數(設計變量 design variable)進行優化,使結構滿足一定的設計目標(目標函數 object function)。因此結構優化問題可以歸結為設定優化目標、選取優化參數、定義約束條件三個因素系統規劃的過程。OptiStruct軟件是具有強大的優化的工具。在拓撲優化和形貌優化上都具有良好的實現功能。OptiStruct軟件能解決如下類型的結構優化問題:

目標函數:minf(x)=f(x1,x2,…,xn)

約束函數:gj(x) ≤0; j=1,2,…m
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n OptiStruct

除了能解決上述的結構優化問題以外,也可以實現 Minmax(Maxmin)這類結構優化問題求解。Minmax優化問題可以按照如下方式進行描述:

目標函數:min{max[f1(x)/f1,f2(x)/f2,…,fk(x)/fk]}

     約束函數:gj(x) ≤0; j=1,2,…m
     xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n
    其中 fk為參考值。

5.2 后掀門結構優化設計
如前分析,后掀門的在進行強度計算時,最大應力為 598Mpa。強度不能滿足設計要求。但是為了不增加重量,不能采取傳統的增加料厚的方法提高強度。鈑金件設計中,加筋是一個提高結構強度的很有效方法。而 OptiStruct軟件提供了強大的拓撲形貌優化工具。針對鈑金件加筋優化設計,其可以定義起筋的方向,筋的高度,拔模角等參數,并且一定方式進行筋分布,如平行陣列、對稱陣列、循環對稱陣列。因此針對某越野車后掀門結構強度不足的問題。在進行結構優化改進設計時采取加筋的方法。進行優化時,以單元應力作為優化目標,這樣就成為一個 minmax優化問題。定義加筋的優化變量時,使加強筋沿著 XZ平面對稱,并沿 X方向平行分布。按照上述定義進行優化分析處理,并考慮到工藝和實際設計的邊界條件,重新設計的結構如圖所示。

圖 5某越野車后掀門優化設計后的結構

5.3 后掀門優化結構的有限元分析

為了驗證優化結果的可行性和有效性,對優化后的結構進行了和優化前結構相同的載荷和邊界條件強度和模態分析。分析結果見表。可以看出,優化后的結構最大應力由原來的598.00減小為152.23Mpa,應力減小了近 3倍,強度滿足設計要求。形變位移由原來的26.20mm,減小為 6.21mm,形變位移減小了近 4倍。從上面的比較可以看出,優化后的后掀門結構強度和剛度都有顯著提高,從而滿足設計要求。

圖 6優化設計后結構的形變位移云圖圖 7優化設計后的結構應力云圖
6 結論

本文運用現代有限元理論和方法,對某越野車進行強度分析和結構優化。從整個分析過程中,可以得出如下結論:
⑴采用現代有限元方法,可以改進設計方法和設計思路,使設計流程科學化和現代化。
⑵采用適當的優化方法,在不增加結構重量的同時,改善結構的性能,滿足當今汽車行業輕量化發展需求,符合社會發展趨勢。
⑶Altair系列軟件提供了一個高效的前處理、求解計算、后處理工具包,為 CAE工程師工作提供了 CAE分析系統解決方案。

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