基于HyperWorks對重汽鞍座連接板的優(yōu)化設(shè)計

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:建立了重汽鞍座連接板的有限元模型,結(jié)合OptiStruct以體積比為約束目標(biāo)進行了拓撲優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化后連接板形狀得到優(yōu)化設(shè)計方案。通過拓撲優(yōu)化,減輕了鞍座連接板的重量,節(jié)約了材料,且滿足強度要求,縮短了研發(fā)周期。通過試驗結(jié)果證明,本文所建有限元模型是合理有效的。

1概述

在重汽鞍座連接板的設(shè)計過程中,利用優(yōu)化方法可以在結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度的前提下,通過改變某些設(shè)計變量,使結(jié)構(gòu)的重量最輕,節(jié)約材料,縮短研發(fā)周期。

重汽鞍座連接板優(yōu)化主要結(jié)合AltairOptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺,在線性分析過程中考慮拓撲優(yōu)化。利用給定的設(shè)計空間,采用拓撲優(yōu)化,在較短的時間內(nèi),尋求最佳材料分布,得到一個優(yōu)化設(shè)計方案,計算表明本方案不但滿足部件的剛度、強度要求,并且其最大應(yīng)力、應(yīng)變都沒有超過材料的最大屈服強度。

2鞍座連接板有限元模型

根據(jù)設(shè)計人員提供的三維模型,在HyperMesh中建立有限元模型。建模過程中,出于計算經(jīng)濟性考慮,在不影響整體剛度、強度的前提下,對模型進行部分簡化,最終建立重汽鞍座連接板的有限元模型如圖1所示:

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圖1重汽鞍座連接板有限元模型

3拓撲優(yōu)化模型建立及分析

拓撲(Topology)優(yōu)化是一種優(yōu)化方法,能在給定的空間結(jié)構(gòu)中生成優(yōu)化的形狀及材料分布。通過將區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格,OptiStruct為每個單元計算材料特性,在給定的約束條件下,利用OptiStruct中的優(yōu)化算法更改材料的分布,以優(yōu)化用戶給定的設(shè)計目標(biāo),當(dāng)目標(biāo)函數(shù)在任意連續(xù)三次迭代中的改變量低于給定容差時,即得到收斂結(jié)果。

優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型[1]可以表述為:

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式中,X =x1,x2,. . . ,xn是設(shè)計變量;f(x)是目標(biāo)函數(shù);g(x)是不等式約束函數(shù);h(x)是等式約束函數(shù),上角標(biāo)L是指LowerLimited,即下限;上角標(biāo)U是指Upper Limit,即上限。

在OptiStruct中,目標(biāo)函數(shù)f(x)、約束函數(shù)g(x)與h(x)是從有限元分析中得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計變量X的選擇依賴于優(yōu)化類型。在拓撲優(yōu)化中,設(shè)計變量為單元的密度。

在HyperMesh中建立的有限元模型,設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo),約束條件和設(shè)計變量,采用OptiStruct進行拓撲優(yōu)化。經(jīng)過4次迭代得到優(yōu)化結(jié)果,得到最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)見圖2所示。

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圖2重汽90鞍座連接板優(yōu)化結(jié)果

由圖2可見,優(yōu)化后的鞍座連接板相比優(yōu)化前節(jié)約材料,重量變輕。

4鞍座連接板應(yīng)力計算與驗證

本文對鞍座連接板優(yōu)化前后的應(yīng)力進行比較驗證。鞍座連接板在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下,在前后鋼板彈簧上施加約束,在鞍座的兩個支撐上分別施加垂直向下的集中載荷以及牽引車與半掛車之間的縱向牽引力,如圖3所示。垂直載荷大小都取250KN,縱向牽引力都取76KN。

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圖3約束、加載位置

優(yōu)化前后彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力略有增加,但都沒有超過材料的屈服強度,應(yīng)力分布如圖4所示。

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圖4彎曲扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圖

鞍座最終優(yōu)化后應(yīng)力分布對比見表1。

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表1應(yīng)力對比圖(單位:Mpa)

將最終優(yōu)化結(jié)果利用OptiStruct軟件包中的OSSmooth工具,生成IGES格式的文件,設(shè)計人員輸入到

CAD系統(tǒng)中進行二次設(shè)計,最終得到連接板形狀如圖5所示:

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圖5連接板

5結(jié)論

本文建立了重汽專用90鞍座連接板的有限元模型,根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對連接板建立了拓撲優(yōu)化模型,通過設(shè)定優(yōu)化目標(biāo),對連接板進行優(yōu)化,得到了最優(yōu)形狀,并通過設(shè)計人員對優(yōu)化形狀進行細化,最終減重約22.5公斤,并已通過400萬次的垂直載荷16噸至48噸以及200萬次的32噸至48噸的臺架試驗,均未出現(xiàn)任何問題,滿足設(shè)計要求,且已進入路試階段。優(yōu)化結(jié)果與試驗驗證表明,利用拓撲優(yōu)化得到的結(jié)果是合理的,在滿足鞍座連接板的設(shè)計要求以及強度要求的條件下,達到了減重目的。

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