新能源汽車(chē)輕量化技術(shù) 課件 項(xiàng)目5、6 車(chē)輛結(jié)構(gòu)基本性能認(rèn)識(shí)；結(jié)構(gòu)性能仿真優(yōu)化案例介紹

新能源汽車(chē)輕量化技術(shù)項(xiàng)目5車(chē)輛結(jié)構(gòu)基本性能認(rèn)識(shí)任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹1、有限元法簡(jiǎn)介2、HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹1.導(dǎo)入結(jié)構(gòu)固有頻率、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等基本性能決定了結(jié)構(gòu)承受外部載荷的響應(yīng)方式和能力。結(jié)構(gòu)固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性之一，是反映結(jié)構(gòu)對(duì)外界載荷激勵(lì)的響應(yīng)特性；結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度決定了它能夠承受多大的壓力或拉伸而不發(fā)生破壞；結(jié)構(gòu)的剛度則決定了它對(duì)變形的抵抗能力。為了確保結(jié)構(gòu)的基本性能，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、穩(wěn)定性分析等仿真分析。有限單元方法（FiniteElementMethod）簡(jiǎn)稱(chēng)有限元法，是計(jì)算復(fù)雜微分方程近似解的一種非常有效的工具，也是當(dāng)前工程分析領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介有限元法算是比較年輕的學(xué)科分支，其基本思想可以追溯到1943年柯朗提出的在一系列三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)的最小能量原理相結(jié)合來(lái)求解圣維南扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。此后，不少應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師分別從不同角度對(duì)有限元法的離散理論、方法及應(yīng)用開(kāi)展了大量研究積累。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，有限元法開(kāi)始展現(xiàn)了其巨大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1960年進(jìn)一步求解了平面彈性問(wèn)題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱(chēng)，由此開(kāi)始有限元法的早期發(fā)展。1970年以后，有限元方法開(kāi)始應(yīng)用于處理非線性和大變形問(wèn)題。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介單元類(lèi)型簡(jiǎn)介為了拓展有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，新的單元形式不斷涌現(xiàn)。例如，采用插值函數(shù)相同的表示方法獲得高階單元。將形狀規(guī)則的一階單元變換為邊界為二維或者三維單元，從而更加精確的對(duì)形狀復(fù)雜的求解結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散。為滿(mǎn)足不同工程實(shí)際問(wèn)題需要，在構(gòu)造結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)參數(shù)中同時(shí)出現(xiàn)了包含位移和位移導(dǎo)數(shù)的梁?jiǎn)卧?、殼單元等單元?lèi)型。構(gòu)造以多個(gè)場(chǎng)變量（如位移、應(yīng)變、溫度）等為結(jié)點(diǎn)參數(shù)的混合單元類(lèi)型。在復(fù)合材料領(lǐng)域，出現(xiàn)了用于分析復(fù)合材料、夾層材料、混凝土等復(fù)合材料單元。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介桿件單元主要用于模擬常見(jiàn)的拉壓桿件結(jié)構(gòu)，如圖2-7所示，以CROD單元承受拉伸載荷為例分析結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力。CROD模擬的桿件長(zhǎng)度為lmm，在桿件A,B兩端分別施加大小相等，方向相反的拉伸載荷F（單位牛頓），桿件橫截面面積為Smm2。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介二維單元（Two-dimensionalElements），也稱(chēng)為面單元類(lèi)型，主要用薄殼類(lèi)片體建模。最常用的2D單元是一階三角形單元和四邊形單元，也有二階三角形和四邊形單元類(lèi)型。二階單元是在一階單元的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中間插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與數(shù)值運(yùn)算。二階單元有助于提高計(jì)算精度，同時(shí)也將耗費(fèi)更多計(jì)算硬件資源和計(jì)算時(shí)間。一階三角形單元如圖2-12所示，分別由節(jié)點(diǎn)1（x1,y1）,節(jié)點(diǎn)2（x2,y2）,節(jié)點(diǎn)3（x3,y3）三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介三維實(shí)體單元（Three-dimensionalElements）或稱(chēng)為體積單元，是用來(lái)模擬厚度與長(zhǎng)寬尺寸相等的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于幾何設(shè)計(jì)中，零件厚度與其長(zhǎng)寬幾尺在同一數(shù)量級(jí)，不適合使用薄殼的片體單元模擬。例如，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，轉(zhuǎn)向節(jié)等實(shí)體零件。在這類(lèi)零部件仿真分析中，通常使用三維實(shí)體單元進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)離散化單元模擬。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于有限元方法原理的軟件大量出現(xiàn)，并在實(shí)際工程中發(fā)揮了愈來(lái)愈重要的作用；目前，著名的專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件公司有幾十家，國(guó)際上著名的通用有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、ADINA、RADIOSS、ALGOR、PRO/MECHANICA、IDEAS等。還有一些針對(duì)行業(yè)的專(zhuān)門(mén)的有限元分析軟件，如LS-DYNA，DEFORM，PAM-STAMP,AUTOFORM、SUPER-FORGE等。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介年份軟件名稱(chēng)開(kāi)發(fā)者1966NASTRANMacNeal-SchwendlerCorp.,USA1969MARCMARCAnal.Corp.,USA1970ANSYSSwansonAnal.Syst.,USA1972ADINAADINAR&DInc.,USA1978DYNA2D,DYNA3DLivermoreSoftwareTech.Corp.,USA1979ABAQUSHibbit,Karlsson&Sorensen,Inc.,USA1984ALGORAlgorInc.,USA1989HyperMeshAltairInc.,USA任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹HyperWorks商業(yè)軟件工具是由1984年成立的Altair公司開(kāi)發(fā)發(fā)行的仿真產(chǎn)品。Altair公司于1989年首次發(fā)布通用有限元建模軟件HyperMesh。該公司以HyperMesh為依托，為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)，包括但不限于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、CAE分析模擬等。目前Altair公司旗下的Hyperworks軟件平臺(tái)是集造型設(shè)計(jì)、可視化建模、仿真計(jì)算、仿真數(shù)據(jù)后處理等功能于一體。軟件分析求解功能包括基礎(chǔ)靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析、流體力學(xué)分析、成型分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、增材制造等多學(xué)科領(lǐng)域。軟件平臺(tái)包括HyperMesh、HyperView、HyperGraph、MotionView、Optistruct、HyperFrom、RADIOSS等多個(gè)產(chǎn)品。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算方面，OptiStruct使用最先進(jìn)的優(yōu)化算法，擁有最強(qiáng)的優(yōu)化仿真技術(shù)。OptiStruct可以高效解決具有成千上萬(wàn)設(shè)計(jì)變量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，其先進(jìn)的優(yōu)化引擎方便用戶(hù)使用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等方法來(lái)創(chuàng)建更多更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，也可以聯(lián)合多種優(yōu)化方法求解并實(shí)現(xiàn)更符合生產(chǎn)制造工藝的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期，用戶(hù)基于結(jié)構(gòu)布置空間、設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)和制造工藝參數(shù)約束等條件，應(yīng)用OptiStruct給出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，高效快捷地完成最優(yōu)質(zhì)的概念設(shè)計(jì)方案。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹1.導(dǎo)入模態(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(duì)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(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法，可獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)在某一頻率范圍內(nèi)各階次模態(tài)的振動(dòng)特性，以及結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)受內(nèi)部或外部各種振源激勵(lì)作用下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹車(chē)輛NVH性能（即Noise、Vibration和Harshness）和可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性等性能一樣，已經(jīng)成為考核汽車(chē)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。其中振動(dòng)噪聲性能越來(lái)越受到關(guān)注，已經(jīng)成為影響一部汽車(chē)品牌最重要的指標(biāo)之一。隨著顧客和國(guó)家法規(guī)對(duì)NVH性能也要求越發(fā)嚴(yán)格。汽車(chē)振動(dòng)噪聲是各國(guó)面臨的共同問(wèn)題，也是制約我國(guó)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。整車(chē)NVH性能的關(guān)鍵就是車(chē)輛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有振動(dòng)特性的體現(xiàn)。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹整車(chē)或零部件系統(tǒng)模態(tài)是指整車(chē)或零部件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱(chēng)為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹圖5-4內(nèi)飾車(chē)身模態(tài)測(cè)試任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹圖5-4內(nèi)飾車(chē)身模態(tài)測(cè)試Noise，Vibration，Harshness任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹有限元模態(tài)計(jì)算方法是將車(chē)身結(jié)構(gòu)幾何零件采用離散化處理并裝配連接成有限元模型。通過(guò)計(jì)算軟件對(duì)該車(chē)身有限元模型對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣[M],剛度矩陣[K]和阻尼矩陣[C]進(jìn)行計(jì)算并得到系統(tǒng)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解運(yùn)動(dòng)方程對(duì)應(yīng)的特征根就可得到車(chē)身系統(tǒng)的模態(tài)頻率和振型。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹排氣系統(tǒng)是燃油車(chē)非常重要的組成部分之一，包括排氣管、排氣掛鉤、消音器等結(jié)構(gòu)。在乘用車(chē)舒適性中，排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)心的就是系統(tǒng)模態(tài)、振型和排氣掛鉤動(dòng)剛度等問(wèn)題。排氣系統(tǒng)涉及排氣掛鉤、排氣吊耳以及排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接等模型處理是排氣系統(tǒng)建模的關(guān)鍵。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹1.導(dǎo)入剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在承載載荷時(shí)所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。在物理學(xué)中，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力或者力矩載荷。在工程領(lǐng)域，剛度對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、飛行器和艦船等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。如果結(jié)構(gòu)剛度不足，可能會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)或者在流場(chǎng)中發(fā)生顫振等災(zāi)難性事故。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度多數(shù)乘用車(chē)都采用承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，車(chē)身是車(chē)輛結(jié)構(gòu)的承載基礎(chǔ)，因此應(yīng)具備基本的剛度、強(qiáng)度等性能。其中，車(chē)體結(jié)構(gòu)總成剛度是車(chē)身結(jié)構(gòu)的基本性能之一。就車(chē)體總成而言，車(chē)身剛度主要包括整體彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度性能。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度將車(chē)輛簡(jiǎn)化為圖5-9所示主要包括左右縱梁、門(mén)檻梁等結(jié)構(gòu)和地板平面的框架模型。整車(chē)坐標(biāo)X軸由車(chē)頭指向車(chē)尾為正方向，其中點(diǎn)3和點(diǎn)10位置的X坐標(biāo)標(biāo)識(shí)車(chē)輛輪心位置。車(chē)身彎曲剛度主要反映車(chē)身在車(chē)輪支撐條件下，承受垂向載荷的整體抗變形能力。因此，試驗(yàn)中通常在車(chē)身前后輪心X向坐標(biāo)位置建立類(lèi)似簡(jiǎn)支梁的約束狀態(tài)，在前后約束中間加載試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位于車(chē)身底部，排布位置參考圖5-9所示的測(cè)量點(diǎn)。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-9車(chē)身剛度試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度測(cè)試數(shù)據(jù)通常采用三次測(cè)量取平均值為以數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，測(cè)試中還需考慮結(jié)構(gòu)安裝間隙等因素，采用不同載荷加載測(cè)試，觀察測(cè)試數(shù)據(jù)分布情況。以某車(chē)身彎曲剛度測(cè)試為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表5-3所示。彎曲試驗(yàn)加載載荷分別為1000N，2000N，3000N和4000N。測(cè)試點(diǎn)以X坐標(biāo)分布為參考布置，其中X坐標(biāo)1360mm和1361mm位置的測(cè)點(diǎn)分布布置在地板縱梁和門(mén)檻梁上。每組載荷對(duì)應(yīng)的車(chē)身位移數(shù)據(jù)均為3次測(cè)試讀數(shù)的平均值。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-10車(chē)身彎曲剛度試驗(yàn)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度測(cè)量點(diǎn)位置1000N2000N3000N4000NL1/R10.0010.0030.0030.005L2/R20.0000.0010.0010.001L4/R40.0500.1000.1540.197L5/R50.0790.1610.2520.343L6,7/R6,70.1050.2290.3310.460L8/R80.0810.1740.2550.347L9/R90.0990.2020.2910.411L10/R100.0320.0690.1070.136L11/R110.0030.0060.0090.010表5-3縱梁及門(mén)檻梁位置處彎曲剛度測(cè)量變形結(jié)果通常定義車(chē)身彎曲剛度K=F/Δ,計(jì)算車(chē)身剛度并繪制不同測(cè)點(diǎn)位移曲線。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度車(chē)身安裝點(diǎn)重點(diǎn)是考察安裝面法向剛度性能，由于車(chē)身結(jié)構(gòu)安裝的零部件多，安裝點(diǎn)法向布置與車(chē)輛整體坐標(biāo)方向往往存在不一致的情況。因此，車(chē)身安裝點(diǎn)剛度分析需要結(jié)合每個(gè)安裝點(diǎn)的位置分布，創(chuàng)建局部坐標(biāo)系。理論上，每個(gè)安裝點(diǎn)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)局部坐標(biāo)系。為方便加載和結(jié)果后處理，參照分析規(guī)范并規(guī)定局部坐標(biāo)的Z軸沿安裝孔的法線方向且方向朝外，安裝孔平面構(gòu)成局部坐標(biāo)的XY平面。結(jié)合車(chē)身安裝孔剛性試驗(yàn)和車(chē)身底盤(pán)連接關(guān)系，車(chē)身剛度分析通常約束車(chē)身前后支柱連接孔中心123自由度。在局部坐標(biāo)下對(duì)車(chē)身關(guān)鍵安裝點(diǎn)施加200N的法向載荷，并測(cè)量加載點(diǎn)的法向位移。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-11車(chē)身安裝點(diǎn)剛度工況任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度以某車(chē)型前門(mén)上鉸鏈1號(hào)安裝孔剛度為例，完成上述設(shè)置并查看分析結(jié)果如圖5-13所示。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，前車(chē)門(mén)上鉸鏈1號(hào)安裝孔局部坐標(biāo)系下Z向位移為-0.134mm。因?yàn)榧虞d力的方向是沿局部坐標(biāo)-Z方向，最大位移值為在局部坐標(biāo)下為負(fù)是正確結(jié)果。根據(jù)安裝點(diǎn)剛度分析規(guī)范，加載點(diǎn)的為載荷為200N，其對(duì)應(yīng)位移的絕對(duì)值為0.134，因此該安裝點(diǎn)的局部剛度值為k=200N/0.134mm=1492N/mm。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-13車(chē)身安裝點(diǎn)位移任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹3.車(chē)身輕量化系數(shù)我們知道，車(chē)輛除了材料選用、生產(chǎn)制造工藝、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響車(chē)身重量外，車(chē)身尺寸也是重要的影響。由于不同車(chē)輛在尺寸設(shè)計(jì)、功能定位和性能指標(biāo)等方面有不同的要求，車(chē)身結(jié)構(gòu)尺寸、車(chē)身性能差異明顯。正是因?yàn)椴卉?chē)型之間有這么明顯的差異，依靠單純的車(chē)身重量是難以客觀的反映車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)應(yīng)用水平。那么如何評(píng)價(jià)不同車(chē)身結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造方面輕量化技術(shù)水平呢？如圖5-14所示，車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要有軸距、輪距以及車(chē)身高度等尺寸參數(shù)來(lái)衡量車(chē)身整體尺寸大小。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹圖5-14車(chē)身輕量化3.車(chē)身輕量化系數(shù)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹

3.車(chē)身輕量化系數(shù)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度以尾門(mén)為例，尾門(mén)系統(tǒng)剛度分為整體剛度和局部剛度兩種類(lèi)型，整體剛度包括尾門(mén)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度等。局部剛度主要用于考察尾門(mén)鉸鏈安裝點(diǎn)、鎖扣點(diǎn)、支撐桿安裝點(diǎn)、雨刮安裝點(diǎn)等位置局部剛度。尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度主要考察尾門(mén)整體結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。如圖5-15所示為某尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度分析模型和位移結(jié)果。圖5-15a的分析模型包括尾門(mén)本體和鉸鏈結(jié)構(gòu)。約束鉸鏈與車(chē)身連接螺栓孔中心123456自由，約束尾門(mén)鎖扣中心123自由度。分別位于尾門(mén)下緩沖塊位置施加大小相等方向相反的集中載荷，集中載荷作用形成的力矩為200Nm。左右緩沖塊距離為1200mm，根據(jù)加載力矩計(jì)算，左右緩沖塊加載的集中載荷大小為166.7N。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹圖5-15尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度分析4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹

4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹尾門(mén)側(cè)向剛度主要考察側(cè)向載荷作用下尾門(mén)整體結(jié)構(gòu)的抗變形的能力。如圖5-16所示為某尾門(mén)側(cè)向剛度分析模型及位移結(jié)果。圖5-16a所示的尾門(mén)側(cè)向剛度分析模型包括尾門(mén)本體和鉸鏈結(jié)構(gòu)。約束鉸鏈與車(chē)身連接螺栓孔中心123456自由，約束尾門(mén)鎖扣中心13自由度。由于側(cè)向剛度的載荷是沿車(chē)身Y向施加，所以加載點(diǎn)需要釋放2方向的自由，允許尾門(mén)沿作用力方向移動(dòng)。在鎖扣中心沿Y向施加200N的集中載荷。如圖5-16b所以，尾門(mén)在側(cè)向載荷200N作用下，加載點(diǎn)側(cè)向位移為2.24mm，尾門(mén)對(duì)應(yīng)的側(cè)向剛度為89N/mm。4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度圖5-16尾門(mén)側(cè)向剛度分析任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度尾門(mén)彎曲剛度測(cè)試和仿真模擬尾門(mén)與車(chē)身上下安裝狀態(tài)，如圖5-17a所示，約束鉸鏈安裝孔123456自由，約束鎖扣中心12自由度。在尾門(mén)左右啟動(dòng)支撐桿安裝孔位置，沿局部坐標(biāo)Z軸加載200N。完成尾門(mén)彎剛度分析約束和加載后提交OptiStruct計(jì)算，分析結(jié)束后應(yīng)用Hyperview導(dǎo)入分析模型和分析結(jié)果，查看尾門(mén)在彎曲載荷作用下的法向位移量。如圖5-17b所以，尾門(mén)結(jié)構(gòu)總的受載載荷為400N,尾門(mén)整體彎曲載荷加載點(diǎn)最大位移為2.5mm，尾門(mén)對(duì)應(yīng)的彎曲剛度為160N/mm。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度圖5-17尾門(mén)彎曲剛度分析任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹1.導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在滿(mǎn)足一定約束條件下，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的布局、尺寸和材料等設(shè)計(jì)參數(shù)，使得某種特定的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程旨在尋找一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使得結(jié)構(gòu)在性能、成本、可靠性等方面達(dá)到最佳平衡。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是有系統(tǒng)的科學(xué)方法，并且在工程技術(shù)領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)其實(shí)可以分為兩個(gè)階段：概念設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。概念設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品研發(fā)初期，而詳細(xì)設(shè)計(jì)屬于研發(fā)后期，簡(jiǎn)單的說(shuō)，概念設(shè)計(jì)就是先得出結(jié)構(gòu)的基本形狀，詳細(xì)設(shè)計(jì)就是在此基礎(chǔ)上做更加細(xì)化的設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有拓?fù)鋬?yōu)化（Topology）、形貌優(yōu)化（Topography）和自由尺寸優(yōu)化（FreeSize）。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有尺寸優(yōu)化（Size）、形狀優(yōu)化（Shape）、自由形狀優(yōu)化（FreeShape）?？傮w而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)大體上可以分為三種：拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.1拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化的核心思想是在給定工程結(jié)構(gòu)和邊界條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)材料的分布，改變物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減小體積、減輕重量、提高強(qiáng)度等實(shí)際應(yīng)用需求的目標(biāo)。其基本流程包括：建立結(jié)構(gòu)模型、定義設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制條件、設(shè)計(jì)初步材料分布、評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果、調(diào)整并繼續(xù)迭代，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用廣泛，如建筑物結(jié)構(gòu)、車(chē)身設(shè)計(jì)、飛機(jī)零件、醫(yī)學(xué)設(shè)備、柔性機(jī)器人、微電子器件等領(lǐng)域。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.2尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化方法用于探索超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的新的結(jié)構(gòu)形式，有助于零件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。其重要特征是結(jié)構(gòu)形狀和拓?fù)錁?gòu)型在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前就已知，并且在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變。優(yōu)化目標(biāo)一般是零件的最小重量的尺寸形式，要求其必須滿(mǎn)足一定的約束條件，如強(qiáng)度、靜力、動(dòng)力等。尺寸優(yōu)化問(wèn)題的另一種表述是在給定的結(jié)構(gòu)重量下，尋求使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能最優(yōu)的尺寸形式。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.3形狀優(yōu)化相對(duì)于尺寸優(yōu)化而言，形狀優(yōu)化既可改變結(jié)構(gòu)組件的尺寸，也可改變結(jié)構(gòu)邊界的形狀。由于在迭代求解過(guò)程中結(jié)構(gòu)的邊界形狀不斷變化，因此在形狀優(yōu)化過(guò)程中一般需要不斷更新或者重新劃分有限元網(wǎng)格。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)中另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是結(jié)構(gòu)邊界的描述模型，一般是通過(guò)某種方式將結(jié)構(gòu)邊界參數(shù)化或者離散化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)邊界的演變。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論經(jīng)典的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程包括：選擇設(shè)計(jì)變量，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)，評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果，確定控制邊界或者條件（如，成本、需求、周期等），獲得滿(mǎn)足需求的設(shè)計(jì)效果，再驗(yàn)證設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能指標(biāo)。OptiStruct為工程師提供有效的概念設(shè)計(jì)工具，最大限度地減少“重新設(shè)計(jì)”成本和上市時(shí)間?；谠O(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程所涉及的輸入與約束，OptiStruct優(yōu)化工具包括內(nèi)容。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論

任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論響應(yīng)量：響應(yīng)量是反映變量在約束狀態(tài)下，與結(jié)構(gòu)考核指標(biāo)結(jié)果相關(guān)的量。響應(yīng)量可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，通常可以定義為：J，J=1,2,3,…,M.任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論

任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論任務(wù)5結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真實(shí)踐1.任務(wù)目標(biāo)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有的、整體的振動(dòng)特性。副車(chē)結(jié)構(gòu)的每一個(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)可以由仿真計(jì)算或試驗(yàn)分析的方式獲得，其中仿真計(jì)算是以副車(chē)架結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)、物理參數(shù)、連接關(guān)系、邊界條件等基本條件為前提，建立合理的仿真模型，并求解計(jì)算。本實(shí)踐任務(wù)以現(xiàn)有副車(chē)架仿真模型輸入為基礎(chǔ)，檢查模型連接、零件材料信息、零件厚度信息，設(shè)置分析工況和邊界條件、提交分析計(jì)算然后整理分析結(jié)果并形成副車(chē)架模態(tài)仿真報(bào)告。完善基礎(chǔ)實(shí)踐練習(xí)，可進(jìn)一步調(diào)整零件板料厚度、修改零件材料等參數(shù)并重新仿真并記錄結(jié)果。對(duì)比不同材料、不同板料厚度對(duì)副車(chē)架模型和振型的影響。任務(wù)5結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真實(shí)踐1.任務(wù)內(nèi)容本實(shí)踐案例以某承載式車(chē)身前副車(chē)架模型為基礎(chǔ)，開(kāi)展副車(chē)架模態(tài)仿真分析并整理形成分析報(bào)告。進(jìn)一步結(jié)合仿真實(shí)踐效果，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試修改材料參數(shù)、零件厚度等信息，仿真并對(duì)比參數(shù)修改對(duì)副車(chē)架結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。本任務(wù)主要實(shí)踐內(nèi)容如下：（1）熟悉仿真模型導(dǎo)入和基本操作技能。（2）檢查模型連接、模型材料、零件厚度等基本信息。（3）設(shè)置分析工況和分析邊界條件。（4）使用基本后處理工具，查看分析結(jié)果。（5）整理分析數(shù)據(jù)，完成分析報(bào)告編寫(xiě)，對(duì)比材料參數(shù)、厚度參數(shù)的影響。項(xiàng)目5

車(chē)輛結(jié)構(gòu)基本性能認(rèn)識(shí)思考題1.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明單元的類(lèi)型？2.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明Optistruct的主要功能？3.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明模態(tài)的概念和意義？4.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明獲取結(jié)構(gòu)模態(tài)的常用方法優(yōu)缺點(diǎn)？5.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度的概念？6.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明車(chē)身整體剛度內(nèi)容？7.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明車(chē)身輕量化系數(shù)的定義？8.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本原理？9.請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的變量及意義？新能源汽車(chē)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(lèi)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(wèn)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(lèi)型的組，需要分別創(chuàng)建，其創(chuàng)建方法類(lèi)似。進(jìn)入創(chuàng)建模塊，分別設(shè)置組的名稱(chēng)，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(lèi)型Type選擇線性靜態(tài)（Linearstatic），分別通過(guò)SPC和LOAD選項(xiàng)定義約束和載荷對(duì)應(yīng)的組的ID號(hào)。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(lèi)型為op2或者h(yuǎn)3d等格式，其中默認(rèn)輸出類(lèi)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(chēng)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(duì)稱(chēng)，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(mǎn)足加載點(diǎn)位移小于0.07mm的結(jié)構(gòu)最小材料分布問(wèn)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(lèi)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(duì)象的類(lèi)型Type選擇Pshell（因?yàn)楸景咐Ｐ筒捎玫氖莝hell單元模型），并通過(guò)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(lèi)型responsetype選項(xiàng)中選擇volumefrac和total選項(xiàng)，如圖6-13所示。類(lèi)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(lèi)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(chēng)disp_upper_A,對(duì)應(yīng)的響應(yīng)response選擇加載點(diǎn)A的響應(yīng)變量。通過(guò)loadsteps選擇靜力分析作為考察工況，并且對(duì)其位移指標(biāo)要求選擇upperbound選項(xiàng)并設(shè)置為0.07mm。類(lèi)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(duì)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(duì)應(yīng)響應(yīng)為Vol_all，即求解滿(mǎn)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(lèi)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(duì)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(mǎn)足0.07mm的位移目標(biāo)要求。圖6-17位移對(duì)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(mǎn)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(duì)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(duì)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(guò)程稱(chēng)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(shù)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(chēng)，不同工況名稱(chēng)不能重復(fù)；通過(guò)type選擇mormalmodes，即計(jì)算類(lèi)型設(shè)置為模態(tài)計(jì)算。然后根據(jù)求解對(duì)象通過(guò)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(guò)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(chēng)，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(duì)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(kāi)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(duì)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(lèi)型，顯示動(dòng)畫(huà)以及測(cè)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(lèi)型，甚至不同工況對(duì)應(yīng)的載荷和約束都需要單獨(dú)創(chuàng)建。通過(guò)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(duì)蝶形片安裝孔中心節(jié)點(diǎn)實(shí)施全約束載荷。通過(guò)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(guò)圖6-29區(qū)域B的相對(duì)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(guò)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(lèi)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(duì)應(yīng)的ID編號(hào)。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(kāi)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(cè)O(shè)計(jì)區(qū)域，設(shè)計(jì)要求在可變?cè)O(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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lèi)型選擇PSHELL與可變?cè)O(shè)計(jì)區(qū)域單元屬性保持一致；通過(guò)props選擇可變?cè)O(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(lèi)型（type）選擇frequency，模態(tài)階數(shù)ModeNumber選擇1并通過(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(duì)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(chē)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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)載荷計(jì)算獲得典型工況1和工況2對(duì)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(jiàn)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?cè)O(shè)計(jì)區(qū)。其余幾何空間定義為可變?cè)O(shè)計(jì)區(qū)，對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)區(qū)和不變?cè)O(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?cè)O(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(lèi)型type設(shè)置為Psolid，通過(guò)props選擇可變?cè)O(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(guò)anchornode和firstnode兩節(jié)點(diǎn)定義脫模方向，分別選擇其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID為3209和4716。最后通過(guò)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(lèi)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(duì)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型為elementdensities，并將門(mén)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