基于HyperWorks的機艙橫梁總成輕量化設計

汪兆亮，陳浩東，李明軍，陳輝，周飛

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基于HyperWorks的機艙橫梁總成輕量化設計

汪兆亮，陳浩東，李明軍，陳輝，周飛

（福建省汽車工業集團云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351111）

汽車輕量化基本上貫穿于整車開發流程所有階段，尤其在概念設計階段、產品開發階段占據著十分重要的地位。在保證使用材料不變的前提下，文章主要從結構優化方面進行輕量化，以機艙橫梁總成結構優化為例，首先在HyperWorks的HyperStudy模塊中進性DOE分析，綜合四種工況下最大VonMises應力響應、一階模態響應、質量響應篩選出需要優化的設計變量，其次在HyperWorks的OptiStruct模塊中進行尺寸優化，最終得到優化后的機艙橫梁總成，從而在滿足性能許可的同時實現了結構減重。

HyperWorks；HyperStudy；OptiStruct；DOE分析；輕量化

引言

新能源汽車續航能力、整車重量、能耗與補貼密切相關，如何降低能耗、減輕整車重量、提高續航能力成為各大主機廠提升產品市場競爭力的重要手段。輕量化常用的手段主要是圍繞材料、結構和工藝展開[1]。

本文的案例分析在HyperWorks的OptiStruct模塊中采用慣性釋放的方法計算出機艙橫梁在整車制動、轉向、加速、跳動四種工況下的受力狀態，及含有約束狀態下的一階模態。

1 模型描述

1）電器安裝支架模型鈑金件采用基本尺寸4*4mm單元進行劃分；

2）DCDC、PTC、高壓配電盒和常壓配電盒用質量點代替；

3）各質量點與支架采用RBE3單元連接；

4）約束：約束電器安裝支架與車身連接點123456自由度；

5）加載。

圖1 初始模型

表1 四種工況下的加載方式

2 DOE分析

在HyperWorks的HyperStudy模塊中將15個件的厚度作為設計變量，最大應力、一階模態、質量作為輸出響應，自變量料厚的優化域為[1，2.5]，采用部分因子法進行DOE分析[2]。其中，采用函數命令max(resvector(,,,,,,))逐次提取整個機艙橫梁在四種工況下各個單元中受力最大的應力值。

制動工況。計變量對最大應力響應的影響程度從大到小依次為t3、t7、t11、t2、t1、t13、t4、t8、t15、t5、t14、t9、t12、t6、t10，其具體數值的絕對值從大到小分別為-80.91,-14.89,-12.37,-11.37,-7.87,-6.51,-5.65,-3.95,2.84,1.82,-1.20,1.06,-0.68,0.60,-0.43。

轉向工況。計變量對最大應力響應的影響程度從大到小依次為t4、t11、t8、t6、t9、t14、t10、t1、t15、t12、t3、t13、t2、t5、t7，其具體數值的絕對值從大到小分別為-98.19,-91.74,-86.40,-12.39,10.76,2.45,-1.62,0.71,-0.64,-0.56,-0.46,0.37,0.35,0.05,0.00。

加速工況。設計變量對最大應力響應的影響程度從大到小依次為t14、t3、t4、t8、t7、t11、t2、t13、t15、t6、t9、t5、t10、t12、t1，其具體數值的絕對值從大到小分別為-73.67,-20.26,-6.82,-6.41,-5.20,-5.09,-4.82,-4.43,3.19,0.82,0.63,0.58,0.49,0.26,0.00。

跳動工況。設計變量對最大應力響應的影響程度從大到小依次為t3、t11、t7、t13、t4、t2、t1、t8、t14、t5、t6、t10、t9、t12、t15，其具體數值的絕對值從大到小分別為-226.58,-30.77,-30.12,-24.95,-18.42,-18.39,-17.86,-17.46,-16.57,4.27,-3.83,-2.64,2.26,-0.73,-0.37。

一階模態。設計變量對一階模態靈敏度的影響程度從大到小依次為t3、t14、t1、t13、t2、t12、t15、t4、t8、t11、t7、t6、t10、t9、t5，其具體數值的絕對值從大到小分別為6.57, 2.81,2.50,2.37,1.41,1.16,1.16,0.85,0.82,0.43,0.43,0.42,0.41。

總質量。設計變量對質量的影響程度從大到小依次為t13、t3、t11、t9 、t15、t14、t8、t10、t2、t6、t5、t1、t4、t7、t12，其具體數值的絕對值從大到小分別為0.001270188, 0.000262225,0.000167775,0.000127812,0.000112075,7.21E-05,7.20E-05,7.17E-05,6.16E-05,5.45E-05,3.17E-05,2.95E-05,2.89E-05,1.58E-05,1.53E-05。

綜合設計變量對最大應力、一階模態、質量的影響程度選取四種工況下設計變量對最大應力響應、一階模態影響程度不太明顯，且對質量影響程度較為明顯篩選如下7個設計變量：t13、t2、t15、t6、t10、t9、t5。

3 多重約束下的尺寸優化

在OptiStruct模塊中對這7個設計變量進行尺寸優化，實現在滿足各工況下最大VonMises應力不超過258 MPa和一階模態不低于40 Hz的約束條件下，質量最輕從而達到減重的目的。

經過3次優化迭代之后收斂，t13、t2、t15、t6、t10、t9、t5優化后的尺寸分別為1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm，1.775mm進一步圓整為1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm、1.0mm，1.8 mm，詳細結果見表2。最終在OptiStruct的OSSmooth命令模塊中實現優化后機艙橫梁總成模型的幾何重構，生成所需的數據格式文件[3-4]。

表2 機艙橫梁總成各零件優化前后屬性

4 優化前/后分析結果對比

Q345材料屈服極限345MPa，安全系數取1.337，許用應力為258 MPa。表3優化前后分析結果整體上看，整車制動、轉向、加速、上跳工況中受力最為惡劣的是整車上跳工況，優化后最大VonMises應力達到253.5 MPa，但是優化前、后各工況的最大應力均低于目標值，且一階模態略有降低優化后達到43.82 Hz，但滿足要求。

圖2 四種工況下的VonMises應力云圖（優化前）

圖3 四種工況下的VonMises應力云圖（優化后）

圖4 優化前后一階模態振型圖

表3 優化前后分析結果

5 結束語

針對機艙橫梁總成輕量化方案前期考慮過采用鋁合金方案，由型材與鋁板材焊接而成，減重效果較為明顯，單件成本上升卻較為明顯，同時鑒于鋁質結構模態耐久性較弱，以及鋁質材料在性能一致性和焊接工藝穩定性等方面存在風險，故維持鋼制方案并采用結構優化的方法進行減重。減重前模型總重量40.49kg（含各質量點），減重后模型總重量40.05kg（含各質量點），相當于機艙橫梁總成減重0.44kg。在滿足各工況強度和剛度性能的前提下，實現了機艙橫梁的減重，減少了設計余量，同時節約了開發成本，為相關研究人員輕量化工作提供參考。

[1] 陳吉清,蘭鳳崇著.汽車結構輕量化設計與分析方法[M].北京:北京理工大學出版社,2017.

[2] 董宇航.用HyperWorks實現汽車車門的優化設計[D].吉林大學, 2007.

[3] 王鈺棟.HyperMesh & HyperView應用技巧與高級實例[M].機械工業出版社, 2012.

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

Lightweight design of cabin crossbeam assembly based on HyperWorks

Wang Zhaoliang, Chen Haodong, Li Mingjun, Chen Hui, Zhou Fei

( Fujian Yudo New Energy Automobile Co., Ltd., Fujian Putian 351111 )

Automobile lightweight basically runs through all stages of the GVDP, especially in the conceptual design and product development stage occupies a very important position. Under the premise of the same use of materials, the paper mainly carries out lightweight from the aspect of structural optimization. Taking the structural optimization of engine room crossbeam assembly as an example, firstly, the HyperStudy module of HyperWorks is used for conducting DOE analysis, based on the maximum VonMises stress response, first-order modal response and quality response under four working conditions, the design variables to be optimized were screened out. Secondly, the OptiStruct of HyperWorks is used to optimize the design variables. Dimension optimization is carried out in the module, and finally the optimized cabin beam assembly is obtained, so that the weight reduction of the structure can be realized while meeting the performance permission.

HyperWorks;HyperStudy;OptiStruct;DOE Analysis;Lightweight

U463

B

1671-7988(2019)07-142-03

汪兆亮（1991－)，男，工程師，碩士，就職于福建省汽車工業集團云度新能源汽車股份有限公司，主要從事新能源汽車輕量化及CAE性能仿真研究工作。

U463

B

1671-7988(2019)07-142-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.048