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HyperWorks在精密鑄造產(chǎn)品優(yōu)化設計中的應用
論文關(guān)鍵詞: 拓撲優(yōu)化 形狀優(yōu)化 精密鑄造 后懸置支架 有限元分析
論文摘要: 本文主要闡述借助于A(yíng)latir公司的Hyperworks結構優(yōu)化軟件，對精密鑄造產(chǎn)品進(jìn)行結構優(yōu)化設計，且以對某汽車(chē)駕駛室后懸置支架的結構優(yōu)化為例，著(zhù)重介紹了拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化在精密鑄造產(chǎn)品結構設計上的應用方法及功能。事實(shí)表明拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化的聯(lián)合應用，對精密鑄造產(chǎn)品的結構設計起到非常關(guān)鍵的幫助作用，最后通過(guò)此軟件對優(yōu)化后的產(chǎn)品結構進(jìn)行有限元分析，驗證優(yōu)化后產(chǎn)品結構的強度和剛度。
HyperWorks在精密鑄造產(chǎn)品優(yōu)化設計中的應用
一、引言
在當前的汽車(chē)中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個(gè)突出的問(wèn)題，在傳統的設計中，由于產(chǎn)品機構的復雜性，長(cháng)期以來(lái)主要應用經(jīng)驗類(lèi)比設計，對產(chǎn)品結構作定性分析和經(jīng)驗類(lèi)比估算，在決定實(shí)際結構時(shí)，一般都取較大的安全系數，結果使得產(chǎn)品都是“傻”、“大”、“粗”，使的潛力得不到充分發(fā)揮，產(chǎn)品的性能也得不到充分的把握。所以傳統的汽車(chē)設計思路已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前設計的需要。汽車(chē)輕量化設計開(kāi)始占據了汽車(chē)發(fā)展中的主要地位，它既可以提高車(chē)輛的動(dòng)力性，降低，減少能源消耗又能減少污染。但是，簡(jiǎn)單的汽車(chē)輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車(chē)重量的同時(shí)，也犧牲了車(chē)輛的強度和剛度，甚至對產(chǎn)品的結構壽命也產(chǎn)生影響，在此情況下，有限元分析方法在汽車(chē)設計中的合理應用就得到了充分體現，經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐證明，Altair公司的有限元分析技術(shù)以及拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)獲得了非常成功的應用。特別是對于一些結構復雜的汽車(chē)鑄造結構件，Hyperworks 的有限元分析技術(shù)、拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)的推廣使得材料的潛能及鑄造的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮。
本文將詳細介紹利用Hyperworks的拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)對東風(fēng)商用車(chē)駕駛室后懸置支架進(jìn)行減重優(yōu)化設計的應用過(guò)程。以及如何應用Hyperworks驗證改進(jìn)結構后的應力和應變情況，使該后懸置支架減重優(yōu)化后的結構能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用性能和鑄造工藝性要求。
二、有限元法的概念和優(yōu)化設計流程確立
2.1有限元法和有限單元的概念
有限元法又稱(chēng)有限單元法，是結構分析的一種數值計算方法，它隨著(zhù)的發(fā)展而應運而生，并得到了廣泛應用，目前已成為工程數值分析的有力工具。在實(shí)際工程應用中，我們首先把CAD模型分割成有限個(gè)實(shí)體或者殼單元。一般作為實(shí)體單元所適合的結構，是具有三維形狀變化的物體，不太適合棒狀、平板狀的物體。實(shí)體單元是利用3D-CAD所作好的實(shí)體模型，能夠拿來(lái)就能作有限元模型處理，這一點(diǎn)非常方便。 但是用實(shí)體單元制成的模型，因為節點(diǎn)數往往較多在分析時(shí)務(wù)必注意計算機磁盤(pán)用量和計算時(shí)間。
另外從實(shí)體單元能夠把三維圖形原封不動(dòng)地適用于結構分析的模型上這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，對于結構復雜的零件，采用實(shí)體單元是很好用的單元。實(shí)體單元有六面體、五面體、四面體，在用自動(dòng)生成的情況下使用四面體較多。從分析精度而言，使用六面體為好，自動(dòng)生成的三維形狀也有必須限制用于六面體的等等，五面體單元在評價(jià)應力時(shí)盡量不使用此方法為好。殼單元有三角形和四邊形單元，對于板單元盡量使用四邊形單元，對于實(shí)體單元盡量使用六面體單元。使用三角形或四面體單元與使用四邊形或六面體單元時(shí)相比有使結構增加剛性的模型化傾向。在本文我們所做的駕駛室后懸置支架的優(yōu)化計算中，由于結構和受力狀況的復雜性，我們采用實(shí)體單元與殼單元相結合的劃分方法。
2.2 確立優(yōu)化設計流程
在利用Hyperworks軟件做優(yōu)化分析時(shí)，通常的流程是首先讀入CAD模型，然后劃分網(wǎng)格，添加邊界條件，設置優(yōu)化分析模型參數。優(yōu)化分析模型一般是由目標函數、約束條件、優(yōu)化設計變量三個(gè)方面組成，借助于Hyperworks軟件的OptiStruct模塊，對于后懸置支架的輕量化設計，在現有的計算機條件下可以很方便的實(shí)現。首先，在輕量化分析過(guò)程中，一般選取優(yōu)化設計變量為支架的體積的減少量，然后采用傳統的拓撲優(yōu)化方法，將總體的應變能作為目標函數。在本次后懸置支架的優(yōu)化分析中，主要采用OptiStruct模塊的拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化。首先，拓撲優(yōu)化可以獲得一個(gè)最佳的結構布局——即最佳的材料分布；然后在這個(gè)最優(yōu)結構布局的基礎上按照實(shí)際設計需求形成一個(gè)新的設計方案，并反饋到CAD軟件中，形成新的CAD模型，最后應用更仔細的形狀優(yōu)化工具，同時(shí)添加適合鑄造的約束條件，得到最有效的細節設計方案。
圖(1)代表了該后懸置支架的簡(jiǎn)單優(yōu)化設計流程，從最初的模型導入，以及之后的約束條件與目標函數的設定，同時(shí)包括制造工藝參數的設定，最后通過(guò)形狀優(yōu)化得到的最終設計方案。
根據優(yōu)化需求，將三維模型
進(jìn)行非安裝部位的材料填充
導入三維模型
圖（1）拓撲與形狀優(yōu)化流程圖
三、 有限元模型建立和邊界條件確定
[1]
3.1有限元模型建立
3.1.1后懸置支架原始結構分析
由于駕駛室后懸置系統布置方式比較復雜，整個(gè)駕駛室后懸置系統由安裝于浮動(dòng)橫梁上的左右各一個(gè)橡膠緩沖塊支撐，兩個(gè)懸置支架對稱(chēng)的垂直立于車(chē)架大梁上，中間用一弧型橫梁連接，在懸置支架的兩側對稱(chēng)的布置兩個(gè)筒式減震器，而本文所要優(yōu)化分析的后懸置支架是整個(gè)系統中受力最為復雜的關(guān)鍵零件。該零件在原始設計中，由于整個(gè)機構的復雜性，對產(chǎn)品的性能未能充分把握，在進(jìn)行設計時(shí)只能作定性分析和類(lèi)比估算，確定實(shí)際結構時(shí)，選擇的安全系數過(guò)大，致使設計出來(lái)的產(chǎn)品結構過(guò)于笨重，粗大，缺乏美觀(guān)。另外，由于對實(shí)際的受力點(diǎn)未能牢牢把握，導致結構分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。原始結構見(jiàn)圖（2）
圖（2）原始結構模型圖
3.1.2 有限元網(wǎng)格劃分
有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元優(yōu)化分析至關(guān)重要的一步，有限元分析的精度和效率與網(wǎng)格單元的密度和幾何形狀有著(zhù)密切的關(guān)系，并且有限元網(wǎng)格劃分的好壞，對后續數值計算結果的精確性有著(zhù)直接的影響，它不但涉及單元的形狀及其拓撲類(lèi)型、單元類(lèi)型還有選擇什么樣的網(wǎng)格生成器、網(wǎng)格密度的定義、單元的編號以及幾何體元素等等。所以在實(shí)際應用中，選擇合理的網(wǎng)格單元對整體模型的分析有重要的影響。根據上述介紹，結合后懸置支架結構的復雜程度以及優(yōu)化分析的要求，對其采用實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，同時(shí)，在非干涉和裝配部位進(jìn)行必要的材料填充；另外，對分析過(guò)程中涉及到的弧形橫梁因結構簡(jiǎn)單，屬于簡(jiǎn)化梁結構，故采用殼單元的劃分方式。
具體網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖（3）
后懸置支架 弧型橫梁
圖（3）有限元網(wǎng)格模型
其節點(diǎn)數和單元數見(jiàn)表（1）
表（1）后懸置支架及橫梁的節點(diǎn)與單元數
3.2 確定邊界條件及設置優(yōu)化參數
3.2.1 確定邊界條件
由于駕駛室后懸置系統是以垂直方式布置，在車(chē)輛高速行使時(shí)，路面通過(guò)懸掛系統傳遞到駕駛室的沖擊，發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系傳遞到駕駛室上的振動(dòng)，以及側向減振器所帶來(lái)的瞬時(shí)沖擊，是我們分析時(shí)主要考慮的因素。
計算時(shí)考慮駕駛室受垂知方向4G（瞬時(shí)），側向2.5G（穩態(tài)）的沖擊，同時(shí)對支架底端與車(chē)架大梁連接處用螺栓固定，該產(chǎn)品受力工況及約束條件如下圖（4）所示
圖（4）后懸置支架受力工況
3.2.2材料屬性及性能參數
該后懸置支架采用ZGD410-700制成，其材料參數如表（2）所示。
表（2） 車(chē)身后懸置支架材料參數
四、拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化
4.1車(chē)身后懸置支架的拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化就是在產(chǎn)品初時(shí)設計階段，利用優(yōu)化計算得到滿(mǎn)足設計要求的結構外形，并且可以返回到CAD，進(jìn)行詳細的結構設計，然后再利用形狀或尺寸優(yōu)化調整細節，最終得到滿(mǎn)足要求的設計方案。對于這個(gè)后懸置支架的拓撲優(yōu)化，主要問(wèn)題是怎樣使支架結構合理布置，以及如何最好的模擬支架所受的垂直載荷和側向載荷。
在本次拓撲優(yōu)化過(guò)程中，采用后懸置支架與橫梁整體分析，但對后懸置支架單獨優(yōu)化的方式，這樣獲得的結果更趨近于真實(shí)的情況。由于拓撲優(yōu)化對加強筋及凸緣剛度的敏感性較高，因此在采用傳統的拓撲優(yōu)化方法，定義設計變量時(shí)，將體積和應變能作為目標響應，設計空間的體積減少量作為優(yōu)化的約束條件，總體的應變能作為最終的目標函數，這里的總體應變能不僅包括設計空間的應變能，同時(shí)也包括非設計空間的應變能。
最后，根據拓撲優(yōu)化結果云圖，返回CAD模型，結合精密鑄造工藝，盡可能的凸出筋骨，減少大平面，在遵循實(shí)體最小原則下重新進(jìn)行三維設計造型。優(yōu)化云圖及結構優(yōu)化方案見(jiàn)圖（5）
拓撲優(yōu)化云圖（一） 拓撲優(yōu)化云圖（二）
結構優(yōu)化方案
圖（5）拓撲優(yōu)化云圖和結構優(yōu)化方案
4.2 車(chē)身后懸置支架的形狀優(yōu)化
根據以上拓撲優(yōu)化結果，確定了一個(gè)在給定載荷條件下滿(mǎn)足設計要求的最佳結構布置方案，在此方案的基礎上，對后懸置支架進(jìn)行細節優(yōu)化——形狀優(yōu)化，在形狀優(yōu)化中，同時(shí)要考慮結構應力和屈曲變形。理論上為了突出筋骨，保持整個(gè)結構布置的均勻化，同時(shí)減少局部應力的集中，我們只對該有限元模型做局部形狀優(yōu)化，如圖（7）所示，這樣就避免整體優(yōu)化時(shí)間上的浪費。
圖（7）
為形狀優(yōu)化建立了有限元模型之后，我們要將適合鑄造的工藝參數、應力標準和屈曲要求作為形狀優(yōu)化的設計約束，將質(zhì)量最小化設為設計目標函數，對于應力約束，設計約束不允許該處的最大應力超出材料的屈服極限，同時(shí)在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，該處結構的厚度只能要求向內側移動(dòng)，高度只能向上移動(dòng)。最終經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化后結構見(jiàn)
[2]
圖（8）所示：
圖（8）形狀優(yōu)化后最終結構圖
五、結構驗證與對比分析
經(jīng)過(guò)拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化，我們最終得到了較為理想的設計方案，為了驗證該優(yōu)化方案的可靠性，特對此機構進(jìn)行有限元分析計算，同時(shí)對用傳統的經(jīng)驗類(lèi)比方法設計的優(yōu)化方案進(jìn)行分析對比。用傳統經(jīng)驗類(lèi)比方法設計的方案如圖（9）
圖（9）傳統優(yōu)化設計方案
結合實(shí)際受力情況對傳統優(yōu)化設計方案和拓撲優(yōu)化方案分別做有限元驗證分析，應力云圖見(jiàn)圖（10）
傳統優(yōu)化設計方案應力云圖 拓撲優(yōu)化方案應力云圖
圖（10）方案驗證應力云圖
由以上分析可知，傳統優(yōu)化設計方案最大應力高達726MPa，出現在臺肩處，而拓撲優(yōu)化方案的最大應力雖然達到576MPa，但是位置出現在弧型橫梁上，與傳統優(yōu)化設計方案相比，相同位置的最大應力由710MPa減少到216MPa。其對比參數見(jiàn)表（3）：
表（3）優(yōu)化前后結構性能對比
六、結束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化方案的對比，我們可以很清楚的看到，利用傳統的優(yōu)化方式和利用Hyperworks的拓撲和形狀優(yōu)化方式的差別，雖然重量相差不多，分別下降了35%和35.5%，但是在同種工況作用下，傳統方式優(yōu)化的產(chǎn)品結構多處應力超出材質(zhì)屈服極限，且最大應力達到了726MPa，遠遠超出了的屈服極限，在使用過(guò)程中很容易就發(fā)生斷裂；而采用Hyperworks的拓撲和形狀優(yōu)化方式優(yōu)化的產(chǎn)品結構最大應力只有230MPa，低于所使用材質(zhì)的屈服極限410MPa，且同一部位由傳統優(yōu)化結構的710MPa減少到218MPa，同比強度增加了2.65倍，剛度增加了1.27倍，并且優(yōu)化后的產(chǎn)品結構更適合于鑄造工藝。
由上述可知，車(chē)身后懸置支架的優(yōu)化設計驗證了HyperWorks軟件的OptiStruct模塊在精密鑄造產(chǎn)品的成功應用，說(shuō)明了此技術(shù)在制造中具有非常優(yōu)秀的特點(diǎn)，打破了生產(chǎn)單位不能獨立改善產(chǎn)品結構的。隨著(zhù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，OptiStruct的優(yōu)化概念將會(huì )被越來(lái)越多的人接受并有效運用，屆時(shí)它將真正成為產(chǎn)品結構設計工程師的左膀右臂。
參考文獻
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