基于HyperWorks的汽車(chē)擋泥板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

1、基于HyperWorks的汽車(chē)擋泥板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)論文導(dǎo)讀:：為某國(guó)產(chǎn)轎車(chē)的擋泥板模型。然后對(duì)新模型進(jìn)行模態(tài)分析。建立拓?fù)鋬?yōu)化模型。論文關(guān)鍵詞：擋泥板，模態(tài)分析，拓?fù)鋬?yōu)化，HyperWorks0 引言汽車(chē)覆蓋件在拉延成型時(shí)，由于其塑性變形的不均勻性，往往會(huì)使某些部位剛性較差。剛性差的覆蓋件受振動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生空洞聲，用這樣零件裝車(chē)，汽車(chē)在高速行駛時(shí)就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，造成覆蓋件早期破壞，因此覆蓋件的剛性要求不可無(wú)視。如圖1所示，為某國(guó)產(chǎn)轎車(chē)的擋泥板模型。擋泥板作為汽車(chē)覆蓋件的一種，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其剛度不夠而導(dǎo)致故障，必須予以提高。鑒于此，在Solidworks中建立實(shí)體模型，在HyperWorks

2、環(huán)境中對(duì)該擋泥板進(jìn)行了有限元建模和模態(tài)分析，得到此覆蓋件的固有頻率以及相應(yīng)振型，并運(yùn)用HyperWorks的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到最優(yōu)的加強(qiáng)筋布局，并重新建模，然后對(duì)新模型進(jìn)行模態(tài)分析機(jī)械論文，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的結(jié)果提高了該覆蓋件的低階固有頻率。圖1 擋泥板的三維實(shí)體模型1 擋泥板模態(tài)分析1.1 模態(tài)分析根本理論模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的根底，模態(tài)分析的最終目的是確定描述結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的固有頻率、阻尼比以及振型等參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。N自由度無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)可表示為：由于彈性體的自由振動(dòng)可以分解為一系列簡(jiǎn)諧

3、振動(dòng)的疊加，因此可設(shè)式(1)的解為:式中,實(shí)數(shù),為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的頻率;任意常數(shù)。將式將它展開(kāi)可得到關(guān)于的n 次代數(shù)式:頻率方程的n個(gè)根均為正實(shí)根,它們對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的n個(gè)自然頻率,假定各根互不相等,即沒(méi)有重根,由小到大按次序排列為將求得(r=1,2，n)分別代入方程(3)求得相應(yīng)的，這就是系統(tǒng)的模態(tài)向量或振型向量。1.2 擋泥板有限元模型模態(tài)分析結(jié)果圖2 擋泥板有限元模型在Hypermesh中對(duì)結(jié)構(gòu)件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，根據(jù)擋泥板為板殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用了高精度的四邊形單元和三角單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的單元總數(shù)為1258個(gè)，剛性體單元2個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1976個(gè)，其中四邊形單元1200個(gè)，三角形單元58個(gè)

4、論文開(kāi)題報(bào)告。擋泥板有限元總成模型，如圖2所示。對(duì)結(jié)構(gòu)件單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)件的彈性模量為2.06GPa ,泊松比為0.3,材料密度為7900kg/m3，擋泥板的厚度為0.3mm，在結(jié)構(gòu)件的兩個(gè)螺孔處通過(guò)剛性單元建立約束條件，約束其6個(gè)自由度,然后在OptiStruct 中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)振動(dòng)模態(tài)的計(jì)算, 提取前6階模態(tài)頻率。同時(shí)在HyperView中瀏覽相應(yīng)的模態(tài)振型,得到前6階模態(tài)頻率,其模態(tài)振型依次如圖3所示。圖3 擋泥板初始模型的前六階模態(tài)振型由模態(tài)分析結(jié)果可知，第1階頻率;在HyperMesh中設(shè)置好各項(xiàng)優(yōu)化參數(shù)后，提交OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程經(jīng)歷7步迭代，

5、優(yōu)化后的單元密度云圖，如圖4所示，優(yōu)化過(guò)程中前6階固有頻率變化如圖5所示。圖4 擋泥板優(yōu)化后的單元密度云圖密度值為1 的位置對(duì)應(yīng)在密度圖上的紅色區(qū)域，表示進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)該處應(yīng)該布置結(jié)構(gòu)，密度值為0.001的位置對(duì)應(yīng)密度圖上的深藍(lán)色區(qū)域，表示進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)該處不需布置結(jié)構(gòu)。由于拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域是擋泥板中間局部，因此，從圖4中可以看出需要布置加強(qiáng)筋的位置。圖5 前6階固有頻率迭代過(guò)程由圖5可知，在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中其第一階固有頻率不斷提高。由于在拓?fù)鋬?yōu)化中，擋泥板優(yōu)化區(qū)域以及非優(yōu)化區(qū)域的厚度設(shè)置為1mm，比原始模型要厚，從而導(dǎo)致起迭代前的固有頻率比原始模型要高，但是經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，圖4中的密度云圖可以指導(dǎo)

6、在原始模型中的那些部位布置加強(qiáng)筋，從而在擋泥板重量不增加很多的情況下，提高其第一階固有頻率。2.2 拓?fù)鋬?yōu)化后模型的重建與模態(tài)分析優(yōu)化后的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只考慮到結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該還需要滿足制造工藝、裝配關(guān)系等設(shè)計(jì)要求論文開(kāi)題報(bào)告。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果以及實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)抽象成的布置加強(qiáng)筋后的擋泥板實(shí)體模型，如圖6所示，圖中黃色結(jié)構(gòu)為所布置的加強(qiáng)筋。新的擋泥板結(jié)構(gòu)中，未布置加強(qiáng)筋的局部厚度仍為0.3mm，而加強(qiáng)筋的厚度那么為1mm。圖6 拓?fù)鋬?yōu)化后重建的擋泥板模型在HyperMesh中對(duì)新建的擋泥板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)機(jī)械論文，進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階模態(tài)頻率如表2所示,其模態(tài)振型依次如圖

7、7所示。表2 擋泥板模型重建后前6階固有頻率 階次 固有頻率(Hz) 1 84.9 2 115.1 3 119.1 4 143.2 5 163.2 6 196.5 圖7 擋泥板模型重建后前6階模態(tài)振型3優(yōu)化前后各項(xiàng)參數(shù)比照表3 擋泥板優(yōu)化前后各項(xiàng)參數(shù)比照 第1階固有頻率(Hz) 第一階模態(tài)振型 擋泥板質(zhì)量(Kg) 優(yōu)化前 43.6 在XOY平面內(nèi)繞OZ軸彎曲 0.076 優(yōu)化后 84.9 在XOY平面內(nèi)繞OZ軸彎曲 0.098 4結(jié)論通過(guò)HyperMesh對(duì)擋泥板的模態(tài)分析，得到了其固有頻率特性，發(fā)現(xiàn)其第一階固有頻率低于要求的50Hz，剛度不夠，這是導(dǎo)致故障的直接原因，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。在Op

8、tiStruct中運(yùn)用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)該擋泥板的中間局部進(jìn)行優(yōu)化，為擋泥板的最優(yōu)加強(qiáng)筋布置設(shè)計(jì)提供參考。然后依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果,對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行改良。對(duì)新的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果說(shuō)明剛度到達(dá)設(shè)計(jì)要求，表達(dá)出了拓?fù)鋬?yōu)化方法為設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的指導(dǎo)，在汽車(chē)結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)過(guò)程中具有重要的理論意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，這一方法將在工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：【2】V.Boltyanski. Application of topology in optimization theory. Topology andits Applications ，2005,76: 617628.【3】高云凱.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)分析. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.【5】劉慶，侯獻(xiàn)軍.基于Hypermesh