OptiStruct在织物前罩盖板优化分析中的应用

胡剑锋，钱攀，汪海波，刘刚，黄俊逸，王卯升

上海坤刚复材技术有限公司 上海 201100

随着汽车轻量化趋势的日益推进，各汽车企业在汽车结构件满足一定性能要求的前提下，通过不断优化汽车零部件厚度、结构及引用新材料、新工艺等方式，达到减重的目的。其中，在引用新材料措施中，织物复合材料备受各车企的青睐。

织物前罩盖板具有质量轻、刚度强等特点，但织物铺层方案不合理，就会引起不必要的成本或者刚度不足的问题。如何在满足盖板刚度性能的前提下，合理铺层设计，达到减重的目的，成为汽车企业关心的问题。通过尺寸优化可以确定盖板的厚度，织物材料的铺层数，在满足盖板结构性能的同时减轻重量。

基础分析

1.有限元模型的建立

某车型织物前罩盖板的刚度性能对标其合金钢前罩盖板，织物盖板优化前暂定织物铺层数为40层，单层厚度为0.5mm，方向为0°与45°交叉铺层。利用HyperMesh根据设计部门提供的CAD模型进行有限元模型的建立：前罩采用shell单元进行网格划分、缝焊采用体单元进行模拟。有限元模型如图1所示，节点数和单元数见表1。

图1 前罩盖板有限元模型

表1 前罩模型节点数和单元数

2.材料信息

计算中所使用的材料参数分别见表2、表3。

表2 合金钢材料参数表

表3 织物材料参数表

前罩盖板扭转刚度分析

1.边界条件

前罩盖板扭转刚度分析约束盖板车身连接侧铰链位置1、2、3、4、5、6自由度，约束锁钩位置3自由度，在盖板轴线两侧施加100N垂直于加载点平面的法线载荷，如图2所示。

图2 金钢盖板前罩刚度分析边界条件

2.计算结果

测量最大位移，位移云图如图3所示。从位移云图可看出，前罩盖板最大位移为0.565mm。

图3 合金钢盖板刚度分析位移云图

优化分析

1.建立模型

优化模型盖板属性铺层数设置为40层，0°与45°各20层，单层厚度为0.5mm，金属件设置厚度均为10mm，以确保前罩结构能满足刚度性能要求，从而进行优化结构，确定铺层设计和各零部件厚度。边界条件设置同合金钢前罩，约束盖板车身连接侧铰链位置1、2、3、4、5、6自由度，约束锁钩位置3自由度，在盖板轴线两侧施加100N垂直于加载点平面的法线载荷，如图4所示。

图4 织物盖板前罩刚度分析边界条件

2.尺寸优化

（1）优化性能要求 最大位移不超过合金钢前罩盖板位移量，即最大位移≤0.56mm。

（2）优化设计变量 对前机罩织物盖板与金属件进行变量设置，其中对织物盖板0°与45°铺层设置相同的厚度设计变量，保持均衡对称铺层。

（3）优化设计约束 具体约束如下：

1）玻纤织物材料应变约束为压缩应变许用值2500με，拉伸应变许用值2500με，剪切应变许用值5000με。

2）监测点位移约束，设置最大位移为0.56mm，监测点区域如图5所示。

图5 织物盖板监测点区域示意

3）尺寸约束，复材件单层范围为0.5～10mm，金属件单层范围为0.1～10mm。

4）铺层占比约束，设置铺层比例为10%～60%。

5）铺层均匀对称约束，优化模型中铺层属性均设置对称铺层。

（4）优化设计目标 在满足所有优化设计约束的条件下，前罩优化模型质量最轻。

（5）优化迭代曲线 织物盖板优化设计目标迭代曲线如图6所示，设计约束最大违反曲线如图7所示。

图6 织物盖板优化设计目标迭代曲线

图7 织物盖板优化设计约束最大违反曲线

（6）优化分析厚度分布 优化分析厚度分布如图8所示，其中织物材料属性设置厚度对称选项，实际优化厚度为图中值乘以2，厚度单位为mm。最终零部件厚度确定以及铺层方案见表4。

图8 厚度分布

表4 厚度及铺层方案

（7）优化验证分析结果 根据表4，设置模型中属性厚度值，即零部件厚度。其中，织物盖板属性设置对称铺层，从图中得知，总厚度可设置为10mm，0°与45°铺层各总厚度5mm，单层0.5mm，0°与45°各铺10层，总层数为20层，交叉顺序铺层，即0 °铺完一层，铺45°，设置好上述厚度值，进行验证优化分析，分析结果如图9所示，从图中可以看出位移最大值为0.47mm。

图9 织物盖板前罩刚度分析位移云图

结语

通过对织物盖板前罩的拓扑优化，确定了各零部件的厚度值，织物盖板的铺层数，与合金钢盖板前罩刚度性能基本一致，达到减轻质量的目的，分析结果对比见表5。

表5 计算结果对比表

从表中数据可知，织物盖板前罩最大位移小于合金钢盖板前罩，满足对标要求，重量较合金钢盖板前罩大幅下降，达到设计目标。

在满足性能指标的前提下，通过OptiStruct优化分析，可以计算材料的最佳厚度，织物的最佳铺层方案，为设计部门提供设计依据，有效缩减设计周期。