HyperWorks在精密鑄造產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
論文關(guān)鍵詞: 拓?fù)鋬?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Alatir公司的Hyperworks結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，對精密鑄造產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，且以對某汽車駕駛室后懸置支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，著重介紹了拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化在精密鑄造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用方法及功能。事實(shí)表明拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的聯(lián)合應(yīng)用，對精密鑄造產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到非常關(guān)鍵的幫助作用，最后通過此軟件對優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證優(yōu)化后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。
HyperWorks在精密鑄造產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
一、引言
在當(dāng)前的汽車中，減輕設(shè)計(jì)重量和縮短設(shè)計(jì)周期是兩個突出的問題，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，長期以來主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)作定性分析和經(jīng)驗(yàn)類比估算，在決定實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，一般都取較大的安全系數(shù)，結(jié)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(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)思路已經(jīng)不能滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)的需要。汽車輕量化設(shè)計(jì)開始占據(jù)了汽車發(fā)展中的主要地位，它既可以提高車輛的動力性，降低，減少能源消耗又能減少污染。但是，簡單的汽車輕量化設(shè)計(jì)卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時(shí)，也犧牲了車輛的強(qiáng)度和剛度，甚至對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)壽命也產(chǎn)生影響，在此情況下，有限元分析方法在汽車設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用就得到了充分體現(xiàn)，經(jīng)過近幾年的實(shí)踐證明，Altair公司的有限元分析技術(shù)以及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車行業(yè)獲得了非常成功的應(yīng)用。特別是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車鑄造結(jié)構(gòu)件，Hyperworks 的有限元分析技術(shù)、拓?fù)鋬?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(xì)介紹利用Hyperworks的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)對東風(fēng)商用車駕駛室后懸置支架進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程。以及如何應(yīng)用Hyperworks驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的應(yīng)力和應(yīng)變情況，使該后懸置支架減重優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠滿足產(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(shè)計(jì)流程確立
2.1有限元法和有限單元的概念
有限元法又稱有限單元法，是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，它隨著的發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛應(yīng)用，目前已成為工程數(shù)值分析的有力工具。在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們首先把CAD模型分割成有限個實(shí)體或者殼單元。一般作為實(shí)體單元所適合的結(jié)構(gòu)，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?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)往往較多在分析時(shí)務(wù)必注意計(jì)算機(jī)磁盤用量和計(jì)算時(shí)間。
另外從實(shí)體單元能夠把三維圖形原封不動地適用于結(jié)構(gòu)分析的模型上這一點(diǎn)來說，對于結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jì)算中，由于結(jié)構(gòu)和受力狀況的復(fù)雜性，我們采用實(shí)體單元與殼單元相結(jié)合的劃分方法。
2.2 確立優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)置優(yōu)化分析模型參數(shù)。優(yōu)化分析模型一般是由目標(biāo)函數(shù)、約束條件、優(yōu)化設(shè)計(jì)變量三個方面組成，借助于Hyperworks軟件的OptiStruct模塊，對于后懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)條件下可以很方便的實(shí)現(xiàn)。首先，在輕量化分析過程中，一般選取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為支架的體積的減少量，然后采用傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，將總體的應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù)。在本次后懸置支架的優(yōu)化分析中，主要采用OptiStruct模塊的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化。首先，拓?fù)鋬?yōu)化可以獲得一個最佳的結(jié)構(gòu)布局——即最佳的材料分布；然后在這個最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局的基礎(chǔ)上按照實(shí)際設(shè)計(jì)需求形成一個新的設(shè)計(jì)方案，并反饋到CAD軟件中，形成新的CAD模型，最后應(yīng)用更仔細(xì)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(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方案。
圖(1)代表了該后懸置支架的簡單優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，從最初的模型導(dǎo)入，以及之后的約束條件與目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定，同時(shí)包括制造工藝參數(shù)的設(shè)定，最后通過形狀優(yōu)化得到的最終設(shè)計(jì)方案。
根據(jù)優(yōu)化需求，將三維模型
進(jìn)行非安裝部位的材料填充
導(dǎo)入三維模型
圖（1）拓?fù)渑c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(jié)構(gòu)分析
由于駕駛室后懸置系統(tǒng)布置方式比較復(fù)雜，整個駕駛室后懸置系統(tǒng)由安裝于浮動橫梁上的左右各一個橡膠緩沖塊支撐，兩個懸置支架對稱的垂直立于車架大梁上，中間用一弧型橫梁連接，在懸置支架的兩側(cè)對稱的布置兩個筒式減震器，而本文所要優(yōu)化分析的后懸置支架是整個系統(tǒng)中受力最為復(fù)雜的關(guān)鍵零件。該零件在原始設(shè)計(jì)中，由于整個機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，對產(chǎn)品的性能未能充分把握，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只能作定性分析和類比估算，確定實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇的安全系數(shù)過大，致使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于笨重，粗大，缺乏美觀。另外，由于對實(shí)際的受力點(diǎn)未能牢牢把握，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。原始結(jié)構(gòu)見圖（2）
圖（2）原始結(jié)構(gòu)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密切的關(guān)系，并且有限元網(wǎng)格劃分的好壞，對后續(xù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精確性有著直接的影響，它不但涉及單元的形狀及其拓?fù)漕愋汀卧愋瓦�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(yīng)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(jù)上述介紹，結(jié)合后懸置支架結(jié)構(gòu)的復(fù)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，對分析過程中涉及到的弧形橫梁因結(jié)構(gòu)簡單，屬于簡化梁結(jié)構(gòu)，故采用殼單元的劃分方式。
具體網(wǎng)格劃分見圖（3）
后懸置支架 弧型橫梁
圖（3）有限元網(wǎng)格模型
其節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表（1）
表（1）后懸置支架及橫梁的節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)
3.2 確定邊界條件及設(shè)置優(yōu)化參數(shù)
3.2.1 確定邊界條件
由于駕駛室后懸置系統(tǒng)是以垂直方式布置，在車輛高速行使時(shí)，路面通過懸掛系統(tǒng)傳遞到駕駛室的沖擊，發(fā)動機(jī)、傳動系傳遞到駕駛室上的振動，以及側(cè)向減振器所帶來的瞬時(shí)沖擊，是我們分析時(shí)主要考慮的因素。
計(jì)算時(shí)考慮駕駛室受垂知方向4G（瞬時(shí)），側(cè)向2.5G（穩(wěn)態(tài)）的沖擊，同時(shí)對支架底端與車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(shù)
該后懸置支架采用ZGD410-700制成，其材料參數(shù)如表（2）所示。
表（2） 車身后懸置支架材料參數(shù)
四、拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化
4.1車身后懸置支架的拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化就是在產(chǎn)品初時(shí)設(shè)計(jì)階段，利用優(yōu)化計(jì)算得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)外形，并且可以返回到CAD，進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后再利用形狀或尺寸優(yōu)化調(diào)整細(xì)節(jié)，最終得到滿足要求的設(shè)計(jì)方案。對于這個后懸置支架的拓?fù)鋬?yōu)化，主要問題是怎樣使支架結(jié)構(gòu)合理布置，以及如何最好的模擬支架所受的垂直載荷和側(cè)向載荷。
在本次拓?fù)鋬?yōu)化過程中，采用后懸置支架與橫梁整體分析，但對后懸置支架單獨(dú)優(yōu)化的方式，這樣獲得的結(jié)果更趨近于真實(shí)的情況。由于拓?fù)鋬?yōu)化對加強(qiáng)筋及凸緣剛度的敏感性較高，因此在采用傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，定義設(shè)計(jì)變量時(shí)，將體積和應(yīng)變能作為目標(biāo)響應(yīng)，設(shè)計(jì)空間的體積減少量作為優(yōu)化的約束條件，總體的應(yīng)變能作為最終的目標(biāo)函數(shù)，這里的總體應(yīng)變能不僅包括設(shè)計(jì)空間的應(yīng)變能，同時(shí)也包括非設(shè)計(jì)空間的應(yīng)變能。
最后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果云圖，返回CAD模型，結(jié)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(shè)計(jì)造型。優(yōu)化云圖及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖（5）
拓?fù)鋬?yōu)化云圖（一） 拓?fù)鋬?yōu)化云圖（二）
結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
圖（5）拓?fù)鋬?yōu)化云圖和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
4.2 車身后懸置支架的形狀優(yōu)化
根據(jù)以上拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，確定了一個在給定載荷條件下滿足設(shè)計(jì)要求的最佳結(jié)構(gòu)布置方案，在此方案的基礎(chǔ)上，對后懸置支架進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化——形狀優(yōu)化，在形狀優(yōu)化中，同時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力和屈曲變形。理論上為了突出筋骨，保持整個結(jié)構(gòu)布置的均勻化，同時(shí)減少局部應(yīng)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(fèi)。
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(shù)、應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和屈曲要求作為形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)約束，將質(zhì)量最小化設(shè)為設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，對于應(yīng)力約束，設(shè)計(jì)約束不允許該處的最大應(yīng)力超出材料的屈服極限，同時(shí)在實(shí)際優(yōu)化過程中，該處結(jié)構(gòu)的厚度只能要求向內(nèi)側(cè)移動，高度只能向上移動。最終經(jīng)過形狀優(yōu)化后結(jié)構(gòu)見
[2]
圖（8）所示：
圖（8）形狀優(yōu)化后最終結(jié)構(gòu)圖
五、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與對比分析
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化，我們最終得到了較為理想的設(shè)計(jì)方案，為了驗(yàn)證該優(yōu)化方案的可靠性，特對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，同時(shí)對用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比方法設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案進(jìn)行分析對比。用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)類比方法設(shè)計(jì)的方案如圖（9）
圖（9）傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
結(jié)合實(shí)際受力情況對傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和拓?fù)鋬?yōu)化方案分別做有限元驗(yàn)證分析，應(yīng)力云圖見圖（10）
傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)力云圖 拓?fù)鋬?yōu)化方案應(yīng)力云圖
圖（10）方案驗(yàn)證應(yīng)力云圖
由以上分析可知，傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案最大應(yīng)力高達(dá)726MPa，出現(xiàn)在臺肩處，而拓?fù)鋬?yōu)化方案的最大應(yīng)力雖然達(dá)到576MPa，但是位置出現(xiàn)在弧型橫梁上，與傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相比，相同位置的最大應(yīng)力由710MPa減少到216MPa。其對比參數(shù)見表（3）：
表（3）優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對比
六、結(jié)束語
經(jīng)過上述優(yōu)化方案的對比，我們可以很清楚的看到，利用傳統(tǒng)的優(yōu)化方式和利用Hyperworks的拓?fù)浜托螤顑?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(tǒng)方式優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多處應(yīng)力超出材質(zhì)屈服極限，且最大應(yīng)力達(dá)到了726MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了的屈服極限，在使用過程中很容易就發(fā)生斷裂；而采用Hyperworks的拓?fù)浜托螤顑?yōu)化方式優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的710MPa減少到218MPa，同比強(qiáng)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(jié)構(gòu)更適合于鑄造工藝。
由上述可知，車身后懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了HyperWorks軟件的OptiStruct模塊在精密鑄造產(chǎn)品的成功應(yīng)用，說明了此技術(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(dú)立改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的。隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，OptiStruct的優(yōu)化概念將會被越來越多的人接受并有效運(yùn)用，屆時(shí)它將真正成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的左膀右臂。
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