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Altair2011HyperWorks技术大会论文集
铰链安装支架形貌优化分析
张蓉
上海世科嘉车辆技术研发有限公司上海201209
摘要:本文针对某车型后备箱铰链车身侧安装支架刚度较弱的问题,利用HyperWorks
软件的OptiStruct形貌优化功能,优化了安装支架加强筋布置,提高了支架刚度。形貌优化
通过软件对模型的自动迭代计算,寻找到最佳的加强筋布置方法,分析结果表明该方法能有
效提高支架刚度。形貌优化为支架的加强筋布置提供了快捷、有效的途径。
关键词:支架,加强筋布置,OptiStruct,形貌优化
1概述
汽车后备箱盖是通过铰链安装到车身,在后备箱盖和车身上的铰链安装位置均有一安装
支架,铰链直接安装在支架上。支架为铰链安装提供平台,同时将后备箱盖经由铰链传递过
来的载荷传递给车身,因此,支架结构除了要求提供安装平面外,还要求有足够的刚度以抵
抗载荷引起的变形,否则将引起铰链位置移动太大甚至安装塌陷,从而造成后备箱盖开闭困
难甚至脱落。
铰链安装支架是薄的钣金结构,为了不增加材料重量,这类结构通常是在安装面周围通
过冲压加强筋的方式来实现支架刚度的提高。由于加强筋的布置方式不同,会出现各种设计
方案,要寻找到合适的设计方案需要不停的更改结构、不停的验证分析。目前,有限元分析
方法的广泛应用已经为设计大大缩短了周期和成本,但是依靠我们的经验来设计支架加强筋
的布置,仍然要通过反复的设计、有限元分析、改进、再分析,才能找到满意的结构,该结
果还未必是最优的。
HyperWorks产品的优化软件OptiStruct提供了若干优化功能,形貌优化(Topography)
专门针对板形结构提供了一种寻找最优加强筋分布的概念设计方法,用于设计薄壁结构的强
化压痕,在不增加重量的同时能满足强度、刚度、频率等要求。利用形貌优化功能,通常在
设计之初就能找到加强筋的最优布置方法,也可用于后期改进结构,本文就将该功能用于改
进现有结构的加强筋布置以提高支架刚度。通过这个方法寻找加强筋布置,不必去尝试各种
布置方式还能得到最佳的布筋,省去大量时间和精力,仅仅需要定义设计区域、筋的最大高
度、最小宽度、起肋角、冲压方向等,优化过程考虑到可制造型,还可以定义模式组合等。
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Altair2011HyperWorks技术大会论文集
优化后的结果可以通过OSSmooth工具生成几何数据输入到软件中,进行后续设计。
本文针对某车型后备箱铰链车身侧安装支架刚度较弱的问题,在不增加结构材料的前提
下,利用形貌优化功能寻找最佳的加强筋布置方式以改进现有结构,提高刚度。优化过程定
义了设计区域、加强筋参数等,并以安装点在加载方向的位移为响应,以位移绝对值最小为
优化目标,经过多次迭代计算,最后得到了优化后的拓扑结构。根据优化结果布置加强筋后,
将支架刚度与原结构进行比较,以评价优化效果。
2优化分析
图1(a)是优化前刚度分析模型,包含后部车身,右图为铰链安装面变形云图。根据刚度
设计要求,安装点沿加载方向平均变形应小于3mm。刚度分析模型首先在HyperMesh里
划分模型网格,建立刚度分析模型,约束车身断面和后减震器座,在安装孔处施加规定大小
载荷,通过静刚度分析得出安装点沿加载方向平均变形为3.4mm,见图1(b)图所示。安装
点刚度不满足设计要求,利用形貌优化寻找最佳的加强筋布置方式改进支架结构,提高安装
点刚度。
(a)刚度分析模型(b)安装面变形云图
图1原模型刚度分析
2.1定义优化模型
在本车型的结构设计中,铰链安装支架较大,与周围结构包括侧围、行李架等均有连接。
为了使支架结构的更改不影响与其他零件的连接,仅指定铰链安装面周围一定面积为本次优
化的设计区域,如图2所示。
图2支架设计域图3加强筋结构
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形貌优化与其他优化功能比较,最大的特点在于需要定义加强筋[1]。加强筋结构如图3
所示,根据支架现有结构及材料成型特性,定加强筋高度为4mm,并规定节点变量移动范
围为0~4mm之间。考虑两侧最小倒角半径为3mm确定加强筋最小宽度大于或等于6mm,
通常最小宽度较小会增加迭代计算的次数,增加计算时间,同时加强筋较小对支架的整体刚
度影响也较小,因此本文将其定义为10mm。起肋角在参考文献中的推荐值为60°~75°
区间[2],本例采用60°。起肋方向定义为沿单元法向,即与现有结构的加强筋方向相同。
本例优化采用的边界条件即为上文刚度分析的载荷工况,选择原模型刚度分析结果中安
装面上最大变形点作为本次优化的位移响应节点,并以此响应绝对值最小作为形貌优化的目
标,提交OptiStruc
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