基于HyperWorks對(duì)重汽鞍座連接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2017-02-15 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)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(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,根據(jù)優(yōu)化后連接板形狀得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化,減輕了鞍座連接板的重量,節(jié)約了材料,且滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,縮短了研發(fā)周期。通過(guò)試驗(yàn)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(jì)過(guò)程中,利用優(yōu)化方法可以在結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度的前提下,通過(guò)改變某些設(shè)計(jì)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(tái),在線(xiàn)性分析過(guò)程中考慮拓?fù)鋬?yōu)化。利用給定的設(shè)計(jì)空間,采用拓?fù)鋬?yōu)化,在較短的時(shí)間內(nèi),尋求最佳材料分布,得到一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,計(jì)算表明本方案不但滿(mǎn)足部件的剛度、強(qiáng)度要求,并且其最大應(yīng)力、應(yīng)變都沒(méi)有超過(guò)材料的最大屈服強(qiáng)度。

2鞍座連接板有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的三維模型,在HyperMesh中建立有限元模型。建模過(guò)程中,出于計(jì)算經(jīng)濟(jì)性考慮,在不影響整體剛度、強(qiáng)度的前提下,對(duì)模型進(jìn)行部分簡(jiǎn)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?fù)鋬?yōu)化模型建立及分析

拓?fù)?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(guò)將區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格,OptiStruct為每個(gè)單元計(jì)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?xún)?yōu)化用戶(hù)給定的設(shè)計(jì)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(shí),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(jì)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(jì)變量X的選擇依賴(lài)于優(yōu)化類(lèi)型。在拓?fù)鋬?yōu)化中,設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo),約束條件和設(shè)計(jì)變量,采用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。經(jīng)過(guò)4次迭代得到優(yōu)化結(jié)果,得到最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jiàn),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(jì)算與驗(yàn)證

本文對(duì)鞍座連接板優(yōu)化前后的應(yīng)力進(jìn)行比較驗(yàn)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(gè)支撐上分別施加垂直向下的集中載荷以及牽引車(chē)與半掛車(chē)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(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)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(duì)比見(jiàn)表1。

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表1應(yīng)力對(duì)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(jì)人員輸入到

CAD系統(tǒng)中進(jìn)行二次設(shè)計(jì),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(zhuān)用90鞍座連接板的有限元模型,根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)連接板建立了拓?fù)鋬?yōu)化模型,通過(guò)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo),對(duì)連接板進(jìn)行優(yōu)化,得到了最優(yōu)形狀,并通過(guò)設(shè)計(jì)人員對(duì)優(yōu)化形狀進(jìn)行細(xì)化,最終減重約22.5公斤,并已通過(guò)400萬(wàn)次的垂直載荷16噸至48噸以及200萬(wàn)次的32噸至48噸的臺(tái)架試驗(yàn),均未出現(xiàn)任何問(wèn)題,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,且已進(jìn)入路試階段。優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證表明,利用拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)果是合理的,在滿(mǎn)足鞍座連接板的設(shè)計(jì)要求以及強(qiáng)度要求的條件下,達(dá)到了減重目的。

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