基于HyperWorks對重汽鞍座連接板的優化設計

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:建立了重汽鞍座連接板的有限元模型,結合OptiStruct以體積比為約束目標進行了拓撲優化,根據優化后連接板形狀得到優化設計方案。通過拓撲優化,減輕了鞍座連接板的重量,節約了材料,且滿足強度要求,縮短了研發周期。通過試驗結果證明,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計過程中,利用優化方法可以在結構滿足強度、剛度的前提下,通過改變某些設計變量,使結構的重量最輕,節約材料,縮短研發周期。

重汽鞍座連接板優化主要結合AltairOptiStruct結構優化平臺,在線性分析過程中考慮拓撲優化。利用給定的設計空間,采用拓撲優化,在較短的時間內,尋求最佳材料分布,得到一個優化設計方案,計算表明本方案不但滿足部件的剛度、強度要求,并且其最大應力、應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

根據設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:

圖1重汽鞍座連接板有限元模型

3拓撲優化模型建立及分析

拓撲(Topology)優化是一種優化方法,能在給定的空間結構中生成優化的形狀及材料分布。通過將區域離散成有限元網格,OptiStruct為每個單元計算材料特性,在給定的約束條件下,利用OptiStruct中的優化算法更改材料的分布,以優化用戶給定的設計目標,當目標函數在任意連續三次迭代中的改變量低于給定容差時,即得到收斂結果。

優化的數學模型[1]可以表述為:

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

在OptiStruct中,目標函數f(x)、約束函數g(x)與h(x)是從有限元分析中得到的結構響應。設計變量X的選擇依賴于優化類型。在拓撲優化中,設計變量為單元的密度。

在HyperMesh中建立的有限元模型,設定相應的設計目標,約束條件和設計變量,采用OptiStruct進行拓撲優化。經過4次迭代得到優化結果,得到最優拓撲結構見圖2所示。

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圖2重汽90鞍座連接板優化結果

由圖2可見,優化后的鞍座連接板相比優化前節約材料,重量變輕。

4鞍座連接板應力計算與驗證

本文對鞍座連接板優化前后的應力進行比較驗證。鞍座連接板在彎曲、扭轉工況下,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

優化前后彎曲、扭轉工況下的應力略有增加,但都沒有超過材料的屈服強度,應力分布如圖4所示。

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圖4彎曲扭轉應力圖

鞍座最終優化后應力分布對比見表1。

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表1應力對比圖(單位:Mpa)

將最終優化結果利用OptiStruct軟件包中的OSSmooth工具,生成IGES格式的文件,設計人員輸入到

CAD系統中進行二次設計,最終得到連接板形狀如圖5所示:

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圖5連接板

5結論

本文建立了重汽專用90鞍座連接板的有限元模型,根據優化目標對連接板建立了拓撲優化模型,通過設定優化目標,對連接板進行優化,得到了最優形狀,并通過設計人員對優化形狀進行細化,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,均未出現任何問題,滿足設計要求,且已進入路試階段。優化結果與試驗驗證表明,利用拓撲優化得到的結果是合理的,在滿足鞍座連接板的設計要求以及強度要求的條件下,達到了減重目的。

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