有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2013-06-13  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

關(guān)鍵字:有限元 越野車(chē) 強(qiáng)度分析 模態(tài)分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展,車(chē)身結(jié)構(gòu)趨于輕量化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上的采用加厚鈑金件厚度等提高強(qiáng)度的方法已經(jīng)被淘汰。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法,不可避免地出現(xiàn)盲目性。設(shè)計(jì)中實(shí)際上采用的是嘗試的方法,一種方法不行,再試另外一種方法。這樣做不僅費(fèi)時(shí),也造成了不必要人力和財(cái)力的浪費(fèi)。隨著現(xiàn)代有限元技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的發(fā)展,更多地借助于計(jì)算技術(shù)來(lái)完成相關(guān)的設(shè)計(jì)。本文基于 OptiStruct軟件,針對(duì)某越野車(chē)后掀們?cè)O(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的問(wèn)題,采用 OptiStruct進(jìn)行形貌優(yōu)化,在不增加重量的前提下,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2 有限元模型的建立
2.1  有限元網(wǎng)格劃分
模型前處理采用 Altair HyperMesh軟件。針對(duì)后掀門(mén)為鈑金結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格,在過(guò)渡區(qū)域采用適當(dāng)個(gè)數(shù)的三角形單元。建立的模型如圖所示。模型信息如表所示。

           圖 1原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有限元模型     圖 2原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有限元分析的邊界條件

表 1有限元模型規(guī)模信息

2.2  有限元載荷和邊界條件

計(jì)算中,在后掀門(mén)中間位置上(最為危險(xiǎn)的位置)。在相應(yīng)位置上施加由上述載荷產(chǎn)生
的作用力。如圖所示,后掀門(mén)在安裝點(diǎn)通過(guò)銷(xiāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配。有限元計(jì)算分析時(shí),約束四個(gè)安裝銷(xiāo)處的平動(dòng)自由度。從而建立某越野車(chē)后掀門(mén)結(jié)構(gòu)的約束系統(tǒng)。

2.3  材料模型
建立有限元模型時(shí),采用 MAT1材料模型進(jìn)行材料建模,材料相關(guān)參數(shù)如表所示。

表 2材料 STEEL的參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析
載荷和邊界條件如前所述,原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變和應(yīng)力云圖分別如圖 3和圖 4所示,最大形變位移和最大應(yīng)力如表 3所示。原設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力達(dá)到了 498MPa,而材料的抗拉強(qiáng)度為 540MPa~695MPa,這個(gè)應(yīng)力值已經(jīng)大于材料的屈服極限,接近抗拉強(qiáng)度,可以說(shuō)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在某種程度說(shuō)存在問(wèn)題。需要修改設(shè)計(jì)。

         圖 3原設(shè)計(jì)形變位移云圖圖            4原設(shè)計(jì)應(yīng)力云

圖表 3結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大形變位移及約束反力的比較

4 模態(tài)計(jì)算分析

為了評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動(dòng)特性,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)和約束模態(tài)分析。自由模態(tài)采用自由-自由邊界條件,而約束模態(tài)采用的約束條件和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相同。 OptiStruct求解器默認(rèn)采用 Lanczos算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)平衡方程特征值提取,進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率。某越野車(chē)后掀門(mén)的前六階模態(tài)頻率如表 4所示。

表 4四種結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)和約束模態(tài)的模態(tài)頻率

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
5.1 OptiStruct優(yōu)化方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題就是在一定的約束條件下(約束函數(shù) constraint function)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)計(jì)變量 design variable)進(jìn)行優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)滿足一定的設(shè)計(jì)目標(biāo)(目標(biāo)函數(shù) object function)。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題可以歸結(jié)為設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)、選取優(yōu)化參數(shù)、定義約束條件三個(gè)因素系統(tǒng)規(guī)劃的過(guò)程。OptiStruct軟件是具有強(qiáng)大的優(yōu)化的工具。在拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化上都具有良好的實(shí)現(xiàn)功能。OptiStruct軟件能解決如下類(lèi)型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題:

    目標(biāo)函數(shù):minf(x)=f(x1,x2,…,xn)

     約束函數(shù):gj(x) ≤0; j=1,2,…m
     xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n OptiStruct

    除了能解決上述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題以外,也可以實(shí)現(xiàn) Minmax(Maxmin)這類(lèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題求解。Minmax優(yōu)化問(wèn)題可以按照如下方式進(jìn)行描述:

    目標(biāo)函數(shù):min{max[f1(x)/f1,f2(x)/f2,…,fk(x)/fk]}

     約束函數(shù):gj(x) ≤0; j=1,2,…m
     xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n
    其中 fk為參考值。

5.2 后掀門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
如前分析,后掀門(mén)的在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),最大應(yīng)力為 598Mpa。強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。但是為了不增加重量,不能采取傳統(tǒng)的增加料厚的方法提高強(qiáng)度。鈑金件設(shè)計(jì)中,加筋是一個(gè)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的很有效方法。而 OptiStruct軟件提供了強(qiáng)大的拓?fù)湫蚊矁?yōu)化工具。針對(duì)鈑金件加筋優(yōu)化設(shè)計(jì),其可以定義起筋的方向,筋的高度,拔模角等參數(shù),并且一定方式進(jìn)行筋分布,如平行陣列、對(duì)稱(chēng)陣列、循環(huán)對(duì)稱(chēng)陣列。因此針對(duì)某越野車(chē)后掀門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問(wèn)題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)采取加筋的方法。進(jìn)行優(yōu)化時(shí),以單元應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo),這樣就成為一個(gè) minmax優(yōu)化問(wèn)題。定義加筋的優(yōu)化變量時(shí),使加強(qiáng)筋沿著 XZ平面對(duì)稱(chēng),并沿 X方向平行分布。按照上述定義進(jìn)行優(yōu)化分析處理,并考慮到工藝和實(shí)際設(shè)計(jì)的邊界條件,重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖 5某越野車(chē)后掀門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)

5.3 后掀門(mén)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有限元分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性和有效性,對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了和優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相同的載荷和邊界條件強(qiáng)度和模態(tài)分析。分析結(jié)果見(jiàn)表。可以看出,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由原來(lái)的598.00減小為152.23Mpa,應(yīng)力減小了近 3倍,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。形變位移由原來(lái)的26.20mm,減小為 6.21mm,形變位移減小了近 4倍。從上面的比較可以看出,優(yōu)化后的后掀門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度都有顯著提高,從而滿足設(shè)計(jì)要求。

    圖 6優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的形變位移云圖    圖 7優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
6 結(jié)論

本文運(yùn)用現(xiàn)代有限元理論和方法,對(duì)某越野車(chē)進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從整個(gè)分析過(guò)程中,可以得出如下結(jié)論:
⑴采用現(xiàn)代有限元方法,可以改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路,使設(shè)計(jì)流程科學(xué)化和現(xiàn)代化。
⑵采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法,在不增加結(jié)構(gòu)重量的同時(shí),改善結(jié)構(gòu)的性能,滿足當(dāng)今汽車(chē)行業(yè)輕量化發(fā)展需求,符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。
⑶Altair系列軟件提供了一個(gè)高效的前處理、求解計(jì)算、后處理工具包,為 CAE工程師工作提供了 CAE分析系統(tǒng)解決方案。

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