新能源汽車輕量化技術(shù) 課件 項(xiàng)目6 結(jié)構(gòu)性能仿真優(yōu)化案例介紹

新能源汽車輕量化技術(shù)項(xiàng)目6結(jié)構(gòu)性能仿真優(yōu)化案例介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析1、C型結(jié)構(gòu)靜力分析2、C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化1.導(dǎo)入機(jī)械結(jié)構(gòu)性能主要包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面性能，是反映結(jié)構(gòu)承受各類載荷的響應(yīng)特性。靜力學(xué)主要是研究質(zhì)點(diǎn)系及結(jié)構(gòu)受力作用時(shí)的平衡規(guī)律。靜力學(xué)問題在工程技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，例如設(shè)計(jì)房梁的截面輪廓時(shí)，一般須先根據(jù)平衡條件由粱的受載條件求出未知的約束力，然后再進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析。任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析

任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析圖6-1C型結(jié)構(gòu)受載示意圖任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析導(dǎo)入或者應(yīng)用Hypermesh創(chuàng)建C型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，如下圖所示。任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析首先應(yīng)用Hypermesh的Loadcollector模塊創(chuàng)建載荷組，如圖6-3所示。邊界約束和加載載荷分別屬于兩個(gè)不同類型的組，需要分別創(chuàng)建，其創(chuàng)建方法類似。進(jìn)入創(chuàng)建模塊，分別設(shè)置組的名稱，并將Cardimage設(shè)置位置nocardimage。圖6-3C型結(jié)構(gòu)有限元模型任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析如圖6-4所示，設(shè)置邊界條件需要在Hypermesh分析模塊（Analysis）進(jìn)行。分別在分析模塊中的Constraints模塊定義模型邊界約束條件。然后進(jìn)入Froces模塊進(jìn)行載荷加載。圖6-4邊界加載任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析圖6-5邊界條件完成邊界條件實(shí)踐的零件模型如圖6-5所示。任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析在分析模塊（Analysis）下選擇Loadstep子模塊，進(jìn)入分析工況設(shè)置，如圖6-6所示。分析類型Type選擇線性靜態(tài)（Linearstatic），分別通過SPC和LOAD選項(xiàng)定義約束和載荷對應(yīng)的組的ID號。圖6-6分析工況設(shè)置任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析在PRARM卡片中可以設(shè)置輸出類型為op2或者h(yuǎn)3d等格式，其中默認(rèn)輸出類型為h3d格式，如圖6-7所示。圖6-7分析工況設(shè)置任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析返回分析模塊（Analysis）面板并選擇Optistruct模塊進(jìn)行分析設(shè)置界面，如圖6-8所示。在輸入文件位置設(shè)置文件名稱和存放位置，exportoptions用于定義模型計(jì)算輸出范圍，通常選擇all以定義輸出所有模型；runoptions選項(xiàng)下包括分析、重啟動(dòng)、優(yōu)化等選擇，本案例設(shè)置為analysis。圖6-8分析工況設(shè)置任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化2.C型結(jié)構(gòu)靜力分析完成仿真計(jì)算并實(shí)用Hyperview導(dǎo)入模型文件*.fem和計(jì)算結(jié)果文件*.op2。查看結(jié)構(gòu)位移云圖，如圖6-9所示。分析結(jié)果顯示，該零件在邊界約束和載荷作用下，加載端位移最大，且最大位移為0.025mm。任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化如圖6-10所示，某C型鈑金結(jié)構(gòu)零件，材料厚度為1mm。零件結(jié)構(gòu)關(guān)于HG連線對稱，左側(cè)端點(diǎn)C和D受固定約束條件，右側(cè)C型槽端點(diǎn)A,B分別承受載荷為集中力F=100N的作用。試求解滿足加載點(diǎn)位移小于0.07mm的結(jié)構(gòu)最小材料分布問題，其中材料彈性模量為E=210GPa，泊松比v=0.3。圖6-10C型結(jié)構(gòu)受載示意圖任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化如圖6-11所示，在分析面板（Analysis）選擇optimization選擇進(jìn)入設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊。Optistruct的優(yōu)化模塊包括了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（topology），形貌優(yōu)化（topography），自由尺寸優(yōu)化（freesize），自由形狀優(yōu)化（freeshape）以及符合條件下的優(yōu)化分析等功能模塊。圖6-11C優(yōu)化類型3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化如圖6-12所示，進(jìn)入topology優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，應(yīng)用desvar創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量并命名為Dev_1,優(yōu)化對象的類型Type選擇Pshell（因?yàn)楸景咐Ｐ筒捎玫氖莝hell單元模型），并通過Props選擇鈑金結(jié)構(gòu)的屬性組。設(shè)置shell單元基礎(chǔ)厚度為0.0mm。圖6-12設(shè)計(jì)變量定義面板3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化返回optimization界面并選擇Responses選項(xiàng)，設(shè)置響應(yīng)變量。將零件總體積作為響應(yīng)變量1，并在響應(yīng)類型responsetype選項(xiàng)中選擇volumefrac和total選項(xiàng)，如圖6-13所示。類似的，將加載點(diǎn)A,B沿y方向的給位移作為響應(yīng)變量2和變量3，設(shè)置其變量類型為displacement。圖6-13響應(yīng)變量定義模板3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化如圖6-14所示，在constraint輸入控制參數(shù)1的名稱disp_upper_A,對應(yīng)的響應(yīng)response選擇加載點(diǎn)A的響應(yīng)變量。通過loadsteps選擇靜力分析作為考察工況，并且對其位移指標(biāo)要求選擇upperbound選項(xiàng)并設(shè)置為0.07mm。類似的方式創(chuàng)建加載點(diǎn)B的控制參數(shù)，其中變量選擇加載點(diǎn)B的位移，其中加載點(diǎn)B是受到向-y軸的載荷，其對應(yīng)的為轉(zhuǎn)移應(yīng)選擇lowerbound并設(shè)置位移目標(biāo)值為-0.07mm。圖6-14控制條件設(shè)置任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化返回optimization界面并選擇objective選項(xiàng),設(shè)置求解目標(biāo)為min,對應(yīng)響應(yīng)為Vol_all，即求解滿足約束邊界載荷下零件體積最小的材料分布特征，如圖6-15所示。圖6-15目標(biāo)函數(shù)設(shè)置任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化完成分析計(jì)算，從Hyperview導(dǎo)入運(yùn)算模型分為和后綴名為*_des.h3d的結(jié)果文件。如圖6-16區(qū)域A所示，查看內(nèi)容設(shè)置Design,并選到最后一步計(jì)算值。區(qū)域B結(jié)果類型選擇elementdensity，并將進(jìn)度條設(shè)置為0.3,表示單元密度小于0.3的區(qū)域不顯示，優(yōu)化后的材料分布結(jié)果如圖6-16所示，其中紅色區(qū)域表示材料對性能貢獻(xiàn)大。任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化再次應(yīng)用Hyperview讀取分析結(jié)果，選擇后綴名為*_s1.h3d結(jié)果文件并導(dǎo)入查看優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)在規(guī)定載荷下的位移情況。其中Design0表示基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移載荷如圖6-17(a)所示，其y向最大位移為0.029mm，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)y向最大位移為0.069mm，如圖6-17(a)所示。優(yōu)化去除材料密度小于0.3的單元，所得結(jié)構(gòu)滿足0.07mm的位移目標(biāo)要求。圖6-17位移對比任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化為了讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)便于生產(chǎn)制造，必須滿足相應(yīng)的制造要求。為此，我們可以進(jìn)一步添加約束條件控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。如圖6-19所示，返回設(shè)計(jì)變量模塊，對板料厚度的設(shè)計(jì)變量增加參數(shù)控制，設(shè)計(jì)最小尺寸為5mm并使用update進(jìn)行參數(shù)更新。完成參數(shù)更新設(shè)置并再次提交計(jì)算分析。導(dǎo)入分析結(jié)果并選擇最后迭代步，去除材料厚度小于0.3的單位，得到如圖6-20所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖6-19約束參數(shù)控制任務(wù)1結(jié)構(gòu)靜力分析優(yōu)化3.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化圖6-20最小尺寸控制優(yōu)化結(jié)果任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化1.C型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有的、整體的振動(dòng)特性。線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解耦為正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對應(yīng)系統(tǒng)的相應(yīng)的模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析的方式獲得，這個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化2.蝶形片自由模態(tài)仿真如圖6-20所示，蝶形零件采用普通低碳鋼生產(chǎn)，材料厚度為1.5mm，零件給定區(qū)域配置集中質(zhì)量。應(yīng)用HyperWorks工具完成零件有限元建模、結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析和模態(tài)振型分析結(jié)果查看。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化應(yīng)用HyperWorks建模工具，結(jié)合零件設(shè)計(jì)進(jìn)行分組建模，以彈性模量E=200GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7.85E-9ton創(chuàng)建鋼材材料參數(shù)，并根據(jù)蝶形零件幾何厚度創(chuàng)建屬性組，基礎(chǔ)模型目錄樹如圖6-22區(qū)域B所示。完成模型創(chuàng)建和基本屬性賦值，通過如圖6-21區(qū)域A的loadcollector選擇創(chuàng)建自由模態(tài)分析載荷，定義載荷名為Mod，通過cardimage下拉菜單選擇稀疏矩陣模態(tài)計(jì)算方法EIGRL。2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化圖6-21建?；A(chǔ)設(shè)置2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化模態(tài)計(jì)算需要定義計(jì)算范圍，通過createedit選擇進(jìn)入圖6-22所示的模態(tài)計(jì)算邊界設(shè)置面板。V1,V2用于定義模態(tài)計(jì)算的頻率范圍，ND用于定義模態(tài)輸出振型階數(shù)。本案例中對分析零件的模態(tài)頻率缺乏大致判斷，不便于設(shè)置頻率范圍，所以采用輸出前20階模態(tài)作為計(jì)算邊界。系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算零件模態(tài)，模態(tài)計(jì)算截止頻率即為結(jié)構(gòu)第20階模態(tài)對應(yīng)的頻率。圖6-22模態(tài)計(jì)算設(shè)置2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化通過HyperMeshAnalys模塊選擇loadsteps進(jìn)入分析工況創(chuàng)建界面，如圖6-23所示。首先創(chuàng)建工況名稱，不同工況名稱不能重復(fù)；通過type選擇mormalmodes，即計(jì)算類型設(shè)置為模態(tài)計(jì)算。然后根據(jù)求解對象通過勾選框選擇合適模態(tài)方法METHOD，并在后續(xù)選項(xiàng)中選擇之前創(chuàng)建的模態(tài)方法。圖6-23模態(tài)計(jì)算工況設(shè)置2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化完成分析工況設(shè)置后通過optistruct選項(xiàng)設(shè)置求解文件，如圖6-24所示。設(shè)置內(nèi)容包括文件名稱，輸出選項(xiàng)exportoption，運(yùn)行選項(xiàng)runoption以及存儲(chǔ)空間選項(xiàng)等。其中，輸出選項(xiàng)用于定義求解的模型范圍，通常設(shè)置為all即為整個(gè)模型均為求解計(jì)算范圍；當(dāng)輸出選項(xiàng)設(shè)置為displayed則只對圖形顯示模型進(jìn)行求解計(jì)算，所示需要仔細(xì)檢查該選擇內(nèi)容。圖6-24模態(tài)計(jì)算工況設(shè)置2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化完成模型文件與求解信息設(shè)置，單擊OptiStruct即可自動(dòng)調(diào)用求解器開始求解計(jì)算。求解計(jì)算信息如圖6-26所示，主要包括區(qū)域A的運(yùn)行日志Messagelog以及區(qū)域B對應(yīng)的運(yùn)行摘要Runsummary兩個(gè)重要部分。2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化應(yīng)用HyperView后處理軟件查看分析結(jié)果。如圖6-27所示，選擇導(dǎo)入并在區(qū)域A分別選擇需要讀取結(jié)果的模型文件*.fem和結(jié)果文件*.h3d或者*.op2，并使用apply確認(rèn)設(shè)置和導(dǎo)入文件。圖中區(qū)域B包括了云圖等顯示類型，顯示動(dòng)畫以及測量等方式查看結(jié)果文件2.蝶形片自由模態(tài)仿真任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化如圖6-28所示，為了模型管理方便，不同載荷、約束類型，甚至不同工況對應(yīng)的載荷和約束都需要單獨(dú)創(chuàng)建。通過圖中區(qū)域A的載荷組選項(xiàng)創(chuàng)建約束載荷并命名為SPC，card選擇設(shè)置nocardimage，然后使用create完成約束組創(chuàng)建。3.蝶形片約束模態(tài)仿真圖6-28約束載荷組創(chuàng)建任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化3.蝶形片約束模態(tài)仿真如圖6-29區(qū)域A所示，在約束載荷組SPC環(huán)境下，對蝶形片安裝孔中心節(jié)點(diǎn)實(shí)施全約束載荷。通過node選項(xiàng)選擇圖中螺栓孔中心節(jié)點(diǎn)，勾選dof1-dof6并設(shè)置其值為0，表示約束約束安裝孔中心節(jié)點(diǎn)所有的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。載荷約束的顯示效果可以通過圖6-29區(qū)域B的相對尺寸設(shè)置顯示效果，最后使用create完成約束條件創(chuàng)建。圖6-29約束條件定義任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化3.蝶形片約束模態(tài)仿真再次應(yīng)用HyperMeshAnalys模塊選擇loadsteps進(jìn)入分析工況創(chuàng)建界面，如圖6-30所示。蝶形片零件約束模態(tài)分析是在其自由模態(tài)分析計(jì)算模型的基礎(chǔ)上增加約束條件。通過name選項(xiàng)選擇模型中已有的Coup_Vert模態(tài)分析工況，保持分析類型type為normalmodes，勾選并激活SPC選項(xiàng)并選擇創(chuàng)建的約束載荷組，選擇框中自動(dòng)更新成為該約束載荷組對應(yīng)的ID編號。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化3.蝶形片約束模態(tài)仿真打開HyperView后處理軟件，并在結(jié)果讀入?yún)^(qū)域分別選擇需要讀取結(jié)果的模型文件*.fem和結(jié)果文件*.h3d，并使用apply確認(rèn)設(shè)置和導(dǎo)入文件，如圖6-31所示。分析結(jié)果顯示，約束模態(tài)和自由模態(tài)分析結(jié)果有明細(xì)的差異性。圖6-31約束模態(tài)分析結(jié)果任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化4.蝶形片模態(tài)優(yōu)化現(xiàn)以圖6-33所示碟形鈑金零件為例，介紹基于結(jié)構(gòu)模態(tài)性能的鈑金起筋設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖中紅色區(qū)域?yàn)榭勺冊O(shè)計(jì)區(qū)域，設(shè)計(jì)要求在可變設(shè)計(jì)區(qū)增加起筋設(shè)計(jì)以最大可能提升結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)模型完成零件有限建模并約束零件安裝孔123456自由度開展基礎(chǔ)模型模態(tài)分析。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化4.蝶形片模態(tài)優(yōu)化通過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模態(tài)分析，了解結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率和振型特征?；A(chǔ)基礎(chǔ)分析模型進(jìn)一步開展拓?fù)鋬?yōu)化分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量是以鈑金厚度為變量，其中可優(yōu)化的材料為設(shè)計(jì)可變區(qū)域。如圖6-34所示，首先使用optimization模塊并選擇topology優(yōu)化方法，選擇create創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量，變量名定義為desavr=sheel_dev；變量類型選擇PSHELL與可變設(shè)計(jì)區(qū)域單元屬性保持一致；通過props選擇可變設(shè)計(jì)區(qū)域的單元屬性，并設(shè)置基礎(chǔ)材料厚度為0.3mm并使用create完成設(shè)計(jì)變量創(chuàng)建。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化4.蝶形片模態(tài)優(yōu)化通常設(shè)計(jì)變量定義就創(chuàng)建了拓?fù)湓O(shè)計(jì)空間，屬于該設(shè)計(jì)空間的所有單元將參與拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算?；A(chǔ)厚度設(shè)置為0.3mm，還需要在設(shè)計(jì)變量的PSHELL卡定義厚度為1.0mm，表示設(shè)計(jì)區(qū)域材料厚度可以在0.3-1.0之間變化。進(jìn)一步應(yīng)用responses模塊功能定義結(jié)構(gòu)第一階頻率為響應(yīng)參數(shù)。如圖6-35所示，設(shè)置變量=freq_1；類型（type）選擇frequency，模態(tài)階數(shù)ModeNumber選擇1并通過create完成響應(yīng)參數(shù)創(chuàng)建。任務(wù)2

蝶形片模態(tài)分析優(yōu)化4.蝶形片模態(tài)優(yōu)化本案例是提升零件結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)頻率的起筋設(shè)計(jì)，通過objective選項(xiàng)將響應(yīng)函數(shù)設(shè)置為頻率計(jì)算結(jié)果，并設(shè)備目標(biāo)函數(shù)類型為max。就是求解第一階模態(tài)頻率最大的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后通過dconstaints選項(xiàng)控制卡定義體積參數(shù)上限為0.4。如圖6-36所示。單元密度大的區(qū)域?qū)倨鸾钤O(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)模態(tài)形態(tài)提升貢獻(xiàn)大，優(yōu)化結(jié)果為工程師提供了起筋設(shè)計(jì)提供有效的參考信息。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化1.任務(wù)導(dǎo)入除了鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還有需要采用實(shí)體組成的大型復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)。本學(xué)習(xí)任務(wù)將結(jié)合汽車控制臂結(jié)構(gòu)靜力分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化案例進(jìn)一步介紹汽車或機(jī)械結(jié)構(gòu)中的實(shí)體零件拓?fù)鋬?yōu)化方法及應(yīng)用。通過本任務(wù)學(xué)習(xí)，有助于幫我們進(jìn)一步熟悉和掌握應(yīng)用Optistruct完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的技能。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化如圖6-37所示為某控制臂產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是控制通過A,B,C,D,E等位置與其他零件連接并達(dá)到零件在整機(jī)設(shè)計(jì)中的連接作用在傳遞載荷。零件與零件的連接需要必要的設(shè)計(jì)空間。因此本案例中，設(shè)計(jì)區(qū)域A,B,C,D,E等位置不納入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量定義區(qū)域。本案例除上述區(qū)域外均作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的范圍。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化根據(jù)該零件典型工作狀態(tài)，通過載荷計(jì)算獲得典型工況1和工況2對應(yīng)連接點(diǎn)的在不同方向受到的力和力矩載荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表6-1。載荷工況作用點(diǎn)載荷（N）XYZ工況1A1301.3-313.71019.5C0.60.4-1.8D-5.221.24.2E-1909-235810.1工況2A-923.5-27214.8C-0.5-0.3-1.6D932.9-815.538.1E881.52248.5255.8表6-1工況與載荷表任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征和受力情況，完成零件有限建模。根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化可執(zhí)行情況，將模型A,B,C,D,E等連接及周邊一層單元設(shè)置為不變設(shè)計(jì)區(qū)。其余幾何空間定義為可變設(shè)計(jì)區(qū)，對應(yīng)的單元區(qū)域分別使用兩個(gè)組進(jìn)行定義。根據(jù)零件受力情況，分別創(chuàng)建兩個(gè)加載工況并進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。分析結(jié)果如圖6-38所示，該零件初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最大位移為0.03mm，最大應(yīng)力為14.56MPa。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化根據(jù)零件安裝約束和裝配連接關(guān)系，該控制臂結(jié)構(gòu)A,B,C,D,E等區(qū)域及局部安裝范圍不允許設(shè)計(jì)變化。根據(jù)這一原則，將控制臂零件分為可變設(shè)計(jì)區(qū)和不變設(shè)計(jì)區(qū)。拓?fù)鋬?yōu)化執(zhí)行的范圍僅僅局限于零件可變設(shè)計(jì)區(qū)。如圖6-39所示，首先進(jìn)入optimization模塊并選擇topology選項(xiàng)，定義設(shè)計(jì)變量desvar=dev_1。因?yàn)楸景咐慵鞘褂胹olid單元建模，因此類型type設(shè)置為Psolid，通過props選擇可變設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩宰鳛樽兞繀^(qū)域，并點(diǎn)擊create完成設(shè)計(jì)變量設(shè)置。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化零件材料是球墨鑄鐵，其成方式是采用鑄造成型。根據(jù)鑄造工藝特點(diǎn)，產(chǎn)品制造時(shí)具有特定的脫模方向，因此，本優(yōu)化設(shè)計(jì)中也需要考慮鑄造脫模工藝要求，設(shè)置脫模方向。如圖6-40所示，在設(shè)計(jì)變量界面選擇Draw定義脫模方向，drawtype設(shè)置為single即為單一方向脫模。通過anchornode和firstnode兩節(jié)點(diǎn)定義脫模方向，分別選擇其對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID為3209和4716。最后通過props選擇變量區(qū)域，并使用update添加設(shè)計(jì)變量拔模方向控制。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化3.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)一步創(chuàng)建響應(yīng)變量，返回optimization界面選擇responses子模塊。如圖6-41所示，定義響應(yīng)變量名responses=sta_vol，類型定義volumefrac并這是為total，即以設(shè)計(jì)變量區(qū)總體積為響應(yīng)變量。本次仿真分析并不是單一工況，針對多工況仿真需要定義各工況的權(quán)重系數(shù)。因此，在responses再次創(chuàng)建響應(yīng)變量，其中類型選擇weightedcomp,在loadsteps選項(xiàng)中選擇工況1和工況2并返回，使用create完成創(chuàng)建確認(rèn)。再次返回并選擇目標(biāo)函數(shù)定義模塊，將目標(biāo)函數(shù)類型min并將權(quán)重響應(yīng)了作為控制目標(biāo)。最后使用dconstraints定義目標(biāo)約束函數(shù)，定義體積響應(yīng)變量作為控制目標(biāo)，并設(shè)置其上限值upperbound=0.3,應(yīng)用create確認(rèn)參數(shù)設(shè)置。任務(wù)3

控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化2.控制臂拓?fù)鋬?yōu)化完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置并提交OptiStruct求解計(jì)算，應(yīng)用HyperView查看優(yōu)化結(jié)果。導(dǎo)入優(yōu)化結(jié)果文件后，選擇最后一步迭代計(jì)算結(jié)果進(jìn)行讀出數(shù)據(jù)，設(shè)置結(jié)果類型為elementdensities，并將門檻值設(shè)置為0.3。完成上述設(shè)置即可獲得如圖6-42所示的優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果模型僅保留了單元密度大于0.3的單元。其中非可變設(shè)計(jì)區(qū)單元密度均為1.0，優(yōu)化后滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)大幅降低材料應(yīng)用，零件整體輕量化率達(dá)到34.7%。任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化任務(wù)導(dǎo)入支架零件是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的零件形式之一，可以用于安裝、連接、支撐其他零件結(jié)構(gòu)。以汽車產(chǎn)品開發(fā)為例，汽車底盤、電氣等系統(tǒng)常常設(shè)計(jì)管路、線路等零件，管線路布置需要支架進(jìn)行安裝固定以保證車輛使用時(shí)零件處于正常的布置狀態(tài)。1）你知道支架零件起筋設(shè)計(jì)對支架模態(tài)、剛度的影響嗎？2）你知道如何進(jìn)行支架類零件起筋設(shè)計(jì)嗎？任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化如圖6-43所示為典型的L型支架零件，支架通過底板四個(gè)螺栓孔進(jìn)行固定約束，支架安裝孔E用于安裝固定零件的質(zhì)量為0.5kg，質(zhì)心位于圖中G點(diǎn)。通常來說，這類安裝支架承受的載荷較小，強(qiáng)度性能都可以滿足設(shè)計(jì)要求，因此重點(diǎn)關(guān)注支架模態(tài)性能從而避免支架受外界激勵(lì)導(dǎo)致共振問題。本案例以支架第一階約束模態(tài)性能分析作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的考察工況，介紹形貌優(yōu)化流程及方法。任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化完成支架零件建模并將支架分為可變設(shè)計(jì)組和固定約束組，其中固定約束組包括支架底板安裝螺栓孔以及零件安裝螺栓孔及質(zhì)量單元。如圖6-44所示，在optimization界面選擇topography模塊，定義設(shè)計(jì)變量并通過props選擇可變設(shè)計(jì)組為形貌優(yōu)化區(qū)域。完成設(shè)計(jì)變量定義并使用create確認(rèn)信息定義。任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化本案例支架模型采用基本單元尺寸為4.5mm的三角形單元模擬支架結(jié)構(gòu)。為保證優(yōu)化方案具有良好的制造工藝性，在形貌優(yōu)化中需要進(jìn)一步定義參數(shù)控制。如圖6-45所示，激活beadparams選項(xiàng)，設(shè)置最小設(shè)計(jì)寬度為15mm，設(shè)置拉伸角度為85°和拉伸高度為5mm。設(shè)置拉伸方向?yàn)閱卧ㄏ?，并勾選bufferzone和選擇邊界條件為load&spc。應(yīng)用update完成形貌優(yōu)化參數(shù)更新。任務(wù)4

支架形貌優(yōu)化4.支架形貌優(yōu)化結(jié)合本支架初始設(shè)計(jì)，增加形貌優(yōu)