基于OptiStruct的某電瓶箱支架優化設計

周利，王淼，陸豪，魯曉虎

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基于OptiStruct的某電瓶箱支架優化設計

周利，王淼，陸豪，魯曉虎

（陜汽集團技術中心，陜西 西安 710000）

文章基于OptiStruct軟件對某汽車電瓶箱支架進行了拓撲形貌聯合優化及尺寸優化，并對優化前后的一階模態頻率、最大應力以及質量進行對比。結果表明，優化后結構的一階模態頻率與原結構相等，最大應力增加5%，但仍處于安全許用范圍內，優化后電瓶箱質量比優化前減小23.6%，減重效果明顯。

電瓶箱支架；拓撲形貌聯合優化；尺寸優化；OptiStruct

前言

隨著汽車行業的發展，能源需求與環境保護的壓力日益嚴峻。如何減少汽車的能源消耗和尾氣排放已成為世界各國與各大車企亟待解決的問題。汽車輕量化為解決這一問題提供了可能。

汽車輕量化技術主要分為：輕量化材料、先進制造工藝和結構優化設計等3個主要方面[1]。在輕量化材料方面，用先進的高強度鋼、鎂鋁合合金、塑料及復合材料代替普通鋼來制造汽車部件已成為一個發展方向[2-4]，如高強度鋼以被應用于汽車車身、底盤、懸架和轉向等零件。在使用輕量化材料的同時，先進的制造工藝也得到廣泛應用，如液壓成型、激光焊接等；根據液壓成型技術開發商Vari-Form統計表明，相對于傳統的沖壓—焊接工藝，液壓成型工藝可以降低11%的零件成本，14%的設備成本，并能減輕7.3%的質量[5]。2000年后，CAE已經廣泛應用于汽車零部件及整車結構設計[6-9]，基于CAE分析的汽車結構優化設計已經成為輕量化的首選方法。汽車結構優化設計主要的方法有：尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、形貌優化、自由尺寸優化、自由形狀優化、多學科設計優化等[10-11]。

結構優化設計已成功應用于乘用車及卡車領域。崔彥彬等[12]對某乘用車副車架進行了尺寸優化設計，減輕了副車架質量，為同類型副車架的開發提供了參考價值。關俊山和萬小金對某型乘用車手剎進行結構優化，減小了材料的磨損量，提高了手剎的使用壽命，縮短了研發周期[13]。張林等[14]對中橋及后橋氣室支架進行了拓撲優化設計，優化后的結構滿足剛度及強度要求的同時，總重減少了14.98kg約28.5%，帶來良好的經濟和社會效益。許菁等[15]對車門的結構參數進行了優化，改進了車門的模態特性，為車門的改進設計提供了理論依據。

電瓶箱支架作為卡車的一個重要部件，在滿足使用要求的同時，還需減輕其質量，增加整車的經濟型。目前，電瓶箱支架的傳統設計方法主要參照具體車型與實驗，容易造成材料浪費并增加質量，無法達到輕量化要求[16]。本文采用結構優化技術對電瓶箱支架進行輕量化設計，將基于OptiStruct對電瓶箱支架進行拓撲形貌及尺寸優化。根據優化結果重新構建模型，并將與優化前結構進行對比。

1 電瓶箱支架有限元分析

1.1 有限元模型的建立

電瓶箱支架由支撐板、底板、側板、內板、后板、后封板、中板、連接板以及外板構成。其中支撐板材料為Q235，底板、側板以及后封板材料為DC01-FC，內板、外板、中板及連接板的材料為510L。上述材料的詳細參數如表1所示。采用HyperMesh對模型進行前處理。

表1 電瓶箱支架材料參數表

由于該支架均由板殼件構成，因此使用2D單元來建立其有限元模型。2D單元以四邊形為主，避免采用過多的三角形單元引起局部剛性過大[5]，單元模型如圖1所示，共計65000個單元及68000個節點。經查網格質量良好，可用于后續計算及結構優化。

1.2 邊界條件及工況載荷

圖1 電瓶箱支架有限元模型

對上述有限元模型施加約束與載荷，在沖擊工況下施加Z向加速度，轉彎工況下施加Z向加速度及Y向加速度，制動工況下施加Z向加速度及X方向加速度；將電池以質量點的形式施加在電瓶箱支架的支撐板上，上下電池質量均為73kg。約束電瓶箱支架的連接板安裝孔自由度123456。同時，求解該電瓶支架的前6階約束模態。邊界條件如圖1所示。

1.3 有限元分析結果

針對電瓶箱支架的上述四中工況，進行靜力學與模態分析。在沖擊、制動及轉彎工況下該模型最大應力與最小安全系數如表2所示。表2中最大應力為整個模型在對應工況下的最大Von Mises應力，最小安全系數為材料Q235、DC01- FC、510L的屈服強度除以由上述材料構成的零件在相應工況下的最大應力。表3為電瓶支架的前6階約束模態。

表2 電瓶箱支架優化前結構最大應力與最小安全系數

表3 電瓶箱支架優化前結構的前階約束模態

由2可知，電瓶箱支架在沖擊、轉彎、制動工況下的的最小安全系數偏大，未能完全發揮材料的性能，因此在不降低其一階模態頻率的基礎上，有必要對電瓶箱支架進行優化設計，減輕重量。

2 電瓶箱支架優化

2.1 電瓶箱支架支撐板的拓撲與形貌聯合優化

電瓶箱支架的支撐板質量較大，并且表面較為規整，因此選擇該零件進行拓撲和形貌聯合優化。圖2為支撐板優化模型圖，原模型中質量點施加在設計在空間上，質量點的施加對約束模態頻率的影響較大，因此在優化該模型的過程中，暫不施加質量點，僅提高該零件的剛度并減輕其質量。

圖2 電瓶箱支架支撐板拓撲與形貌聯合優化模型

2.1.1 建立拓撲與形貌優化變量

在優化過程中包含加強筋并且減小質量，所以需設置拓撲與形貌優化變量。

2.1.2 建立優化響應

為使剛度最大化并提高一階約束模態頻率，定義兩個響應：一階模態頻率和柔度，該柔度由前6階模態加權定義，加權因子均設為1，然后由軟件作歸一化處理。

2.1.3 建立約束

將優化前的電瓶箱支架的支撐板施加如圖2所示的約束，計算得到其一階模態為133.7HZ，因此在優化過程中約束其第一階模態，使其大于135HZ。

2.1.4 建立優化目標

將柔度最小化作為優化目標。

將上述優化設置完成后，調用OptiStruct求解，得到其變形云圖與密度云圖如圖3、圖4所示。由圖3可見，設計空間的兩側變形較大，其余區域變形較小，可以將兩側作為起筋區域。由圖4可見，設計空間中間部分的單元密度較小，可以將此處材料去除以減輕重量。參考優化后的變形云圖與單元密度云圖，并兼顧工藝以及制造成本，重新設計幾何模型，如圖5所示。

圖3 電瓶箱支架支撐板拓撲與形貌聯合優化的變形分布云圖

圖4 電瓶箱支架支撐板拓撲與形貌聯合優化的密度分布云圖

圖5 優化后的電瓶箱支架支撐板結構

為驗證優化結果的有效性，對優化后的電瓶箱支架的支撐板進行有限元分析，并與優化前結構的一階模態頻率、質量和剛度進行對比，如下表4所示。由表4可見，優化后支撐板的一階模態頻率相對于優化前提升2%；優化后支撐板的質量比優化前下降11%；相對于優化前，優化后的剛度下降3.2%，但仍然滿足使用要求，優化后剛度下降的主要原因是模型的重構。

表4 優化前、后主要指標率對比表

2.2 電瓶箱支架的尺寸優化

尺寸優化是通過調整板材厚度或者截面尺寸等參數，在滿足約束的前提下，得到參數的最優值。本文選擇板材的厚度作為尺寸優化變量，在不降低一階模態頻率且不影響使用功能的前提下尋找板材厚度的最優組合并減小支架整體質量。在尺寸優化模型中，支撐板采用拓撲與形貌優化后重新設計的結構，并將質量點施加在支撐板上。相對于制動和轉彎工況，沖擊工況下支架的安全系數明顯較小，且優化過程中需保證支架的一階模態頻率無明顯下降，故將沖擊與約束模態作為優化工況。

2.2.1 建立尺寸優化變量

電瓶箱支架的構成如上圖1所示。以模型中的9個零件厚度作為尺寸優化的設計變量，根據Q235、510L以及DC01-FC等材料板材的厚度選用標準，確定9個零件板材厚度變化范圍，具體數值如下表5所示。

表5 電瓶箱支架零件厚度變量取值范圍表

2.2.2 建立響應

將質量、沖擊工況下的應力以及一階約束模態頻率作為響應。

2.2.3 建立約束

原結構一階約束模態頻率為31.3HZ，由于后續需對板材厚度參數進行調整，為留下調整余量，約束一階模態頻率使其大于33HZ，約束最大應力使其小于230MPa。

2.2.4 建立優化目標

將質量最小作為優化目標。

將優化變量、響應、約束及目標定義完成后，調用OptiStruct進行求解，得到優化后零件的厚度變化云圖圖6，由圖6可知，最大厚度值出現在連接板處，最小厚度數值出現在側板處。由于優化后的板材厚度并非為常用數值，因此需要根據相關標準對優化后的板材厚度就近取值，零件的最終厚度取值如表6所示。

圖6 電瓶箱支架零件優化后厚度云圖

表6 電瓶箱支架尺寸優化表

3 結果校核

根據拓撲形貌聯合優化及尺寸優化的結果，重新建立有限元模型驗證優化結果的可行性并與原模型進行比較，對比結果如下表7所示。經計算優化前與優化后最大應力均出現在沖擊工況中，故表7中最大應力實際為沖擊工況中的最大應力值。由表7可見，優化后電瓶箱支架的一階約束模態頻率與優化前取值相同；最大應力小幅增長，但仍處于安全許用范圍；相對優化前，優化后電瓶箱支架質量減少12.4kg，降幅達23.6%，減重效果明顯。

表7 優化前后主要指標對比表

4 結論

本文通過對電瓶箱支架在沖擊、轉彎、制動工況下進行靜力學分析，發現安全系數較大且電瓶箱支架質量超重。采用OptiStruct對該支架進行拓撲形貌聯合優化以及尺寸優化，對優化后的模型重構并進行有限元分析，結果顯示優化后電瓶箱支架的一階頻率與優化前相同，最大應力增加5%，但處于安全使用范圍，質量減少12.4kg，降幅達到23.6%，減重效果明顯。

[1] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報, 2014, 5(1):1-16.

[2] 馮美斌.汽車輕量化技術中新材料的發展及應用[J].汽車工程, 2006, 28(3):213-220.

[3] 馬鳴圖,柏建仁.汽車輕量化材料及相關技術的研究進展[J].新材料產業, 2006(6):37-42.

[4] 王利,陸匠心.汽車輕量化及其材料的經濟選用[J].汽車工藝與材料, 2013(1):1-6.

[5] 劉文華,何天明.高強度鋼在汽車輕量化中的應用[J].汽車工藝與材料, 2008(11):49-51.

[6] 楊陽,周誼,桂良進,等.雙扭桿雙橫臂懸架有限元建模與分析[J]. 汽車工程, 2006, 28(11):1008-1010.

[7] 桂良進,范子杰,周長路,等.“長安之星”微型客車白車身剛度研究[J].機械工程學報, 2004, 40(9):195-198.

[8] 周長路,范子杰,陳宗渝,等.微型客車白車身模態分析[J].汽車工程, 2004, 26(1):78-80.

[9] 郝春鵬,范子杰,桂良進,等.微型客車車身結構正面碰撞特性的數值模擬[J].汽車工程, 2004, 26(5):571-573.

[10] 張勝蘭.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].機械工業出版社, 2008.

[11] 洪清泉.OptiStruct & HyperStudy理論基礎與工程應用[M].機械工業出版社, 2013.

[12] 崔彥彬,張朋亮,王勇.轎車前副車架尺寸優化設計[J].汽車工藝師, 2017(1):73-75.

[13] 關俊山,萬小金.手剎鉚接件失效分析及結構優化設計[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2016, 40(2):385-389.

[14] 張林,袁其旺,李彬.基于Optistruct的氣室支架拓撲優化設計[J]. 重型汽車, 2015(1):16-17.

[15] 許菁,史培龍,周辰雨.基于HyperMesh的重型卡車車門優化[J]. 汽車實用技術, 2012(6):20-24.

[16] M. Zhou, N. Pagaldipti, H.L. Thomas, et al. An integrated approach to topology, sizing, and shape optimization[J]. Structural and Multi -disciplinary Optimization, 2004, 26(5):308-317.

Optimization design of the bracket of a Battery box based on OptiStruct

Zhou Li, Wang Miao, Lu Hao, Lu Xiaohu

( Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710000 )

Based on OptiStruct, this paper performed the combined topology and topography optimization and size optimization of the bracket of an automobile battery box.In addition,the first set modal frequency, maximum stress and quality of original structure and optimized structure is compared. The Results show that the first set modal frequency of the optimized structure is the same as that of the original structure, the maximum stress increased by 5%, but is still in the allowable range, after optimization, the quality of the battery box decreased by 23.6% compared with that before optimiza -tion, and the effect of weight reduction is obvious.

the bracket a Battery box; combined topology and topography optimization; size optimization; OptiStruct

A

1671-7988(2018)18-155-04

U462.2

A

1671-7988(2018)18-155-04

CLC NO.: U462.2

周利，就職于陜汽集團技術中心，碩士，CAE工程師，主要研究方向為汽車結構仿真與優化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.053