OptiStruct在織物前罩蓋板優化分析中的應用

胡劍鋒，錢攀，汪海波，劉剛，黃俊逸，王卯升

上海坤剛復材技術有限公司 上海 201100

隨著汽車輕量化趨勢的日益推進，各汽車企業在汽車結構件滿足一定性能要求的前提下，通過不斷優化汽車零部件厚度、結構及引用新材料、新工藝等方式，達到減重的目的。其中，在引用新材料措施中，織物復合材料備受各車企的青睞。

織物前罩蓋板具有質量輕、剛度強等特點，但織物鋪層方案不合理，就會引起不必要的成本或者剛度不足的問題。如何在滿足蓋板剛度性能的前提下，合理鋪層設計，達到減重的目的，成為汽車企業關心的問題。通過尺寸優化可以確定蓋板的厚度，織物材料的鋪層數，在滿足蓋板結構性能的同時減輕重量。

基礎分析

1.有限元模型的建立

某車型織物前罩蓋板的剛度性能對標其合金鋼前罩蓋板，織物蓋板優化前暫定織物鋪層數為40層，單層厚度為0.5mm，方向為0°與45°交叉鋪層。利用HyperMesh根據設計部門提供的CAD模型進行有限元模型的建立：前罩采用shell單元進行網格劃分、縫焊采用體單元進行模擬。有限元模型如圖1所示，節點數和單元數見表1。

圖1 前罩蓋板有限元模型

表1 前罩模型節點數和單元數

2.材料信息

計算中所使用的材料參數分別見表2、表3。

表2 合金鋼材料參數表

表3 織物材料參數表

前罩蓋板扭轉剛度分析

1.邊界條件

前罩蓋板扭轉剛度分析約束蓋板車身連接側鉸鏈位置1、2、3、4、5、6自由度，約束鎖鉤位置3自由度，在蓋板軸線兩側施加100N垂直于加載點平面的法線載荷，如圖2所示。

圖2 金鋼蓋板前罩剛度分析邊界條件

2.計算結果

測量最大位移，位移云圖如圖3所示。從位移云圖可看出，前罩蓋板最大位移為0.565mm。

圖3 合金鋼蓋板剛度分析位移云圖

優化分析

1.建立模型

優化模型蓋板屬性鋪層數設置為40層，0°與45°各20層，單層厚度為0.5mm，金屬件設置厚度均為10mm，以確保前罩結構能滿足剛度性能要求，從而進行優化結構，確定鋪層設計和各零部件厚度。邊界條件設置同合金鋼前罩，約束蓋板車身連接側鉸鏈位置1、2、3、4、5、6自由度，約束鎖鉤位置3自由度，在蓋板軸線兩側施加100N垂直于加載點平面的法線載荷，如圖4所示。

圖4 織物蓋板前罩剛度分析邊界條件

2.尺寸優化

（1）優化性能要求 最大位移不超過合金鋼前罩蓋板位移量，即最大位移≤0.56mm。

（2）優化設計變量 對前機罩織物蓋板與金屬件進行變量設置，其中對織物蓋板0°與45°鋪層設置相同的厚度設計變量，保持均衡對稱鋪層。

（3）優化設計約束 具體約束如下：

1）玻纖織物材料應變約束為壓縮應變許用值2500με，拉伸應變許用值2500με，剪切應變許用值5000με。

2）監測點位移約束，設置最大位移為0.56mm，監測點區域如圖5所示。

圖5 織物蓋板監測點區域示意

3）尺寸約束，復材件單層范圍為0.5～10mm，金屬件單層范圍為0.1～10mm。

4）鋪層占比約束，設置鋪層比例為10%～60%。

5）鋪層均勻對稱約束，優化模型中鋪層屬性均設置對稱鋪層。

（4）優化設計目標 在滿足所有優化設計約束的條件下，前罩優化模型質量最輕。

（5）優化迭代曲線 織物蓋板優化設計目標迭代曲線如圖6所示，設計約束最大違反曲線如圖7所示。

圖6 織物蓋板優化設計目標迭代曲線

圖7 織物蓋板優化設計約束最大違反曲線

（6）優化分析厚度分布 優化分析厚度分布如圖8所示，其中織物材料屬性設置厚度對稱選項，實際優化厚度為圖中值乘以2，厚度單位為mm。最終零部件厚度確定以及鋪層方案見表4。

圖8 厚度分布

表4 厚度及鋪層方案

（7）優化驗證分析結果 根據表4，設置模型中屬性厚度值，即零部件厚度。其中，織物蓋板屬性設置對稱鋪層，從圖中得知，總厚度可設置為10mm，0°與45°鋪層各總厚度5mm，單層0.5mm，0°與45°各鋪10層，總層數為20層，交叉順序鋪層，即0 °鋪完一層，鋪45°，設置好上述厚度值，進行驗證優化分析，分析結果如圖9所示，從圖中可以看出位移最大值為0.47mm。

圖9 織物蓋板前罩剛度分析位移云圖

結語

通過對織物蓋板前罩的拓撲優化，確定了各零部件的厚度值，織物蓋板的鋪層數，與合金鋼蓋板前罩剛度性能基本一致，達到減輕質量的目的，分析結果對比見表5。

表5 計算結果對比表

從表中數據可知，織物蓋板前罩最大位移小于合金鋼蓋板前罩，滿足對標要求，重量較合金鋼蓋板前罩大幅下降，達到設計目標。

在滿足性能指標的前提下，通過OptiStruct優化分析，可以計算材料的最佳厚度，織物的最佳鋪層方案，為設計部門提供設計依據，有效縮減設計周期。