基于CAE軟件對汽車結構件的輕量化優化設計

胡玉龍 鄭棟 倪亮軍 徐國坤 陳振冬

摘 要：為了適應汽車企業縮短開發周期，節約開發成本和提高產品質量的作用，國內對汽車結構的設計與研究已經從傳統的經驗設計逐漸發展到應用CAE技術進行仿真分析階段，但未像航空航天等領域，廣泛采用結構優化技術對零部件進行優化設計，以減輕重量且提高產品性能。

關鍵詞：汽車結構;結構優化;仿真分析

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-67-03

Abstract： In order to adapt to the role of car companies in shortening the development cycle， saving development costs and improving product quality， the domestic design and research of automobile structure has gradually developed from traditional experience design to the stage of simulation analysis using CAE technology， but it is not like aerospace. In the field， structural optimization technology is widely used to optimize the design of parts to reduce weight and improve product performance.

Keywords： Automobile structural; Structural optimization; Simulation analysis

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-67-03

前言

當今的汽車生產企業，在開發新產品時，為了適應愈加起到縮短開發周期，節約開發成本和提高產品質量的需求，從而達到全面提升企業競爭殘酷的市場競爭環境及工業產品技術發展的目標;同時，汽車零部件，特別是結構產品的開發周期變的越來越短，其復雜程度也越來越高，設計成本越來越低，而新興結構優化軟件應用技術在設計前充分考慮各種工況條件及不確定因素，并實施優化設計流程自動化，智能化后，不僅可以提高產品可靠性，提高開發效率，降低產品開發成本，進而提高產品的競爭力，為企業的競爭生存提供更有力的支持。

1 優化技術路線

1.1 幾何模型的建立

汽車有發動機總成、變速箱、車架總成、懸架總成、車橋總成、車身、各種支架結構件等上百萬個零部件裝配而成，其中結構件占比85%以上，所以結構部件的優化設計在汽車設計中顯得尤為重要，幾乎關乎著汽車新產品開發的成敗，而結構件的優化設計思路與流程大致相同，如圖1所示。

汽車結構件的優化設計，主要采用拓撲優化、形狀優化等優化方法，拓撲優化主要功能是尋找結構在復雜工況下的受力路徑和材料分布情況，給工程師最初的概念設計提供設計指導依據;形狀優化主要是消除材料的應力集中現象，并保證結構的魯棒性和使用壽命，并最終實現結構的性能優化或輕量化優化。

1.2 拓撲優化

通過CAE結構優化軟件集成通用有限元求解器，首先進行結構拓撲優化獲得結構的受力路徑和合理的材料分布形式，優化結果經過網格光順，幾何重構等方法初步獲得結構概念設計參考方案，拓撲優化設計流程如圖2所示。

拓撲優化功能特點：

1）滿足工藝加工要求;

2）在剛度不變的前提下，體積最小;

3）體積不變的前提下剛度最大;

4）頻率滿足設計的前提下，第一階頻率最大;

5）滿足生產工藝對稱、拔模、分型等要求;

6）可以在多工況，多目標，多約束條件下進行拓撲優化，尋找結構概念模型。

1.3 形狀優化

形狀優化是拓撲優化設計的改進過程，因為幾何重構的模型不能完全表達拓撲模型的特征，在模型驗證時存在應力集中、塑性應變過大等問題，這就需要通過形狀優化功能來實現對結構危險區域進行結構調整，最大程度的降低，使得結構使用性能更加穩健，形狀優化設計流程如圖3所示。

形狀優化功能特點

1）減小應力集中;

2）改善結構耐久性;

3）提高自然頻率;

4）滿足加工工藝要求

2 優化案列

2.1 優化目標

汽車橫向推桿（如圖4所示），該結構已批量裝車應用，但存在結構質量較重，采購成本較高，燃油經濟性較差的問題，所以說橫向推桿輕量化優化工作是當務之急，要求優化在已經滿足強度，剛度和疲勞性能要求下，盡可能減少橫向推桿的重量，降低采購成本，并提高推桿的結構剛性，降低工藝加工難度。

2.2 性能約束

為實現橫向推桿優化工作的順利進行，為橫向推桿的優化提出以下5點優化約束，包括性能約束和工藝制造約束。

1）通過優化重量降低不小于10%;

2）主應力降低應不小于30%;

3）剛度損失應不超過10%;

4）同時不增加疲勞損傷和塑性應變;

5）優化方案必須是獲得生產工藝認可。

2.3 優化過程

橫向推桿的優化過程主要對工程師要求較高，必須同時具備設計、仿真、優化能力，優化過程包括幾何模型處理，網格模型處理，有限元模型處理，拓撲模型搭建集成、迭代求解，幾何光束、幾何重構等步驟，具體過程如圖5所示。

2.4 優化結果

橫向推桿在經過拓撲優化、幾何重構、形狀優化，方案驗證，樣機開發、物理實驗一次通過后，實現了最初的優化的全部目標。

1）橫向推桿重量降低了12%;

2）最大應力降低了45%，整體剛度提高了15%。

優化成品如圖6所示。

3 總結

本文基于CAE結構優化軟件，著重介紹的汽車結構件的優化技術，并以某汽車橫向拉桿為案列，講解了結構件的優化過程及步驟，案例中，以橫向拉桿的重量為目標，以結構剛度最大為性能約束，對橫向拉桿模型做了拓撲優化和形狀優化，最終橫向拉桿重量降低12%，同時，最大應力降低45%，整體剛度提高15%;本文中所講述的結構優化技術，較傳統的結構設計_仿真驗證_優化設計等方法，不僅提高了橫向拉桿的剛度、強度性能，降低了拉桿重量，還提高了拉桿的優化效率，可推動汽車結構件的良好發展。

參考文獻

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