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HyperWorks在精密鑄造產品優化設計中的應用
論文關鍵詞: 拓撲優化 形狀優化 精密鑄造 后懸置支架 有限元分析
論文摘要: 本文主要闡述借助于Alatir公司的Hyperworks結構優化軟件，對精密鑄造產品進行結構優化設計，且以對某汽車駕駛室后懸置支架的結構優化為例，著重介紹了拓撲優化和形狀優化在精密鑄造產品結構設計上的應用方法及功能。事實表明拓撲優化和形狀優化的聯合應用，對精密鑄造產品的結構設計起到非常關鍵的幫助作用，最后通過此軟件對優化后的產品結構進行有限元分析，驗證優化后產品結構的強度和剛度。
HyperWorks在精密鑄造產品優化設計中的應用
一、引言
在當前的汽車中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個突出的問題，在傳統的設計中，由于產品機構的復雜性，長期以來主要應用經驗類比設計，對產品結構作定性分析和經驗類比估算，在決定實際結構時，一般都取較大的安全系數，結果使得產品都是“傻”、“大”、“粗”，使的潛力得不到充分發揮，產品的性能也得不到充分的把握。所以傳統的汽車設計思路已經不能滿足當前設計的需要。汽車輕量化設計開始占據了汽車發展中的主要地位，它既可以提高車輛的動力性，降低，減少能源消耗又能減少污染。但是，簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度，甚至對產品的結構壽命也產生影響，在此情況下，有限元分析方法在汽車設計中的合理應用就得到了充分體現，經過近幾年的實踐證明，Altair公司的有限元分析技術以及拓撲優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對于一些結構復雜的汽車鑄造結構件，Hyperworks 的有限元分析技術、拓撲優化和形狀優化技術的推廣使得材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。
本文將詳細介紹利用Hyperworks的拓撲優化和形狀優化技術對東風商用車駕駛室后懸置支架進行減重優化設計的應用過程。以及如何應用Hyperworks驗證改進結構后的應力和應變情況，使該后懸置支架減重優化后的結構能夠滿足產品的使用性能和鑄造工藝性要求。
二、有限元法的概念和優化設計流程確立
2.1有限元法和有限單元的概念
有限元法又稱有限單元法，是結構分析的一種數值計算方法，它隨著的發展而應運而生，并得到了廣泛應用，目前已成為工程數值分析的有力工具。在實際工程應用中，我們首先把CAD模型分割成有限個實體或者殼單元。一般作為實體單元所適合的結構，是具有三維形狀變化的物體，不太適合棒狀、平板狀的物體。實體單元是利用3D-CAD所作好的實體模型，能夠拿來就能作有限元模型處理，這一點非常方便。 但是用實體單元制成的模型，因為節點數往往較多在分析時務必注意計算機磁盤用量和計算時間。
另外從實體單元能夠把三維圖形原封不動地適用于結構分析的模型上這一點來說，對于結構復雜的零件，采用實體單元是很好用的單元。實體單元有六面體、五面體、四面體，在用自動生成的情況下使用四面體較多。從分析精度而言，使用六面體為好，自動生成的三維形狀也有必須限制用于六面體的等等，五面體單元在評價應力時盡量不使用此方法為好。殼單元有三角形和四邊形單元，對于板單元盡量使用四邊形單元，對于實體單元盡量使用六面體單元。使用三角形或四面體單元與使用四邊形或六面體單元時相比有使結構增加剛性的模型化傾向。在本文我們所做的駕駛室后懸置支架的優化計算中，由于結構和受力狀況的復雜性，我們采用實體單元與殼單元相結合的劃分方法。
2.2 確立優化設計流程
在利用Hyperworks軟件做優化分析時，通常的流程是首先讀入CAD模型，然后劃分網格，添加邊界條件，設置優化分析模型參數。優化分析模型一般是由目標函數、約束條件、優化設計變量三個方面組成，借助于Hyperworks軟件的OptiStruct模塊，對于后懸置支架的輕量化設計，在現有的計算機條件下可以很方便的實現。首先，在輕量化分析過程中，一般選取優化設計變量為支架的體積的減少量，然后采用傳統的拓撲優化方法，將總體的應變能作為目標函數。在本次后懸置支架的優化分析中，主要采用OptiStruct模塊的拓撲優化和形狀優化。首先，拓撲優化可以獲得一個最佳的結構布局——即最佳的材料分布；然后在這個最優結構布局的基礎上按照實際設計需求形成一個新的設計方案，并反饋到CAD軟件中，形成新的CAD模型，最后應用更仔細的形狀優化工具，同時添加適合鑄造的約束條件，得到最有效的細節設計方案。
圖(1)代表了該后懸置支架的簡單優化設計流程，從最初的模型導入，以及之后的約束條件與目標函數的設定，同時包括制造工藝參數的設定，最后通過形狀優化得到的最終設計方案。
根據優化需求，將三維模型
進行非安裝部位的材料填充
導入三維模型
圖（1）拓撲與形狀優化流程圖
三、 有限元模型建立和邊界條件確定
[1]
3.1有限元模型建立
3.1.1后懸置支架原始結構分析
由于駕駛室后懸置系統布置方式比較復雜，整個駕駛室后懸置系統由安裝于浮動橫梁上的左右各一個橡膠緩沖塊支撐，兩個懸置支架對稱的垂直立于車架大梁上，中間用一弧型橫梁連接，在懸置支架的兩側對稱的布置兩個筒式減震器，而本文所要優化分析的后懸置支架是整個系統中受力最為復雜的關鍵零件。該零件在原始設計中，由于整個機構的復雜性，對產品的性能未能充分把握，在進行設計時只能作定性分析和類比估算，確定實際結構時，選擇的安全系數過大，致使設計出來的產品結構過于笨重，粗大，缺乏美觀。另外，由于對實際的受力點未能牢牢把握，導致結構分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。原始結構見圖（2）
圖（2）原始結構模型圖
3.1.2 有限元網格劃分
有限元網格劃分是進行有限元優化分析至關重要的一步，有限元分析的精度和效率與網格單元的密度和幾何形狀有著密切的關系，并且有限元網格劃分的好壞，對后續數值計算結果的精確性有著直接的影響，它不但涉及單元的形狀及其拓撲類型、單元類型還有選擇什么樣的網格生成器、網格密度的定義、單元的編號以及幾何體元素等等。所以在實際應用中，選擇合理的網格單元對整體模型的分析有重要的影響。根據上述介紹，結合后懸置支架結構的復雜程度以及優化分析的要求，對其采用實體單元網格劃分，同時，在非干涉和裝配部位進行必要的材料填充；另外，對分析過程中涉及到的弧形橫梁因結構簡單，屬于簡化梁結構，故采用殼單元的劃分方式。
具體網格劃分見圖（3）
后懸置支架 弧型橫梁
圖（3）有限元網格模型
其節點數和單元數見表（1）
表（1）后懸置支架及橫梁的節點與單元數
3.2 確定邊界條件及設置優化參數
3.2.1 確定邊界條件
由于駕駛室后懸置系統是以垂直方式布置，在車輛高速行使時，路面通過懸掛系統傳遞到駕駛室的沖擊，發動機、傳動系傳遞到駕駛室上的振動，以及側向減振器所帶來的瞬時沖擊，是我們分析時主要考慮的因素。
計算時考慮駕駛室受垂知方向4G（瞬時），側向2.5G（穩態）的沖擊，同時對支架底端與車架大梁連接處用螺栓固定，該產品受力工況及約束條件如下圖（4）所示
圖（4）后懸置支架受力工況
3.2.2材料屬性及性能參數
該后懸置支架采用ZGD410-700制成，其材料參數如表（2）所示。
表（2） 車身后懸置支架材料參數
四、拓撲優化和形狀優化
4.1車身后懸置支架的拓撲優化
拓撲優化就是在產品初時設計階段，利用優化計算得到滿足設計要求的結構外形，并且可以返回到CAD，進行詳細的結構設計，然后再利用形狀或尺寸優化調整細節，最終得到滿足要求的設計方案。對于這個后懸置支架的拓撲優化，主要問題是怎樣使支架結構合理布置，以及如何最好的模擬支架所受的垂直載荷和側向載荷。
在本次拓撲優化過程中，采用后懸置支架與橫梁整體分析，但對后懸置支架單獨優化的方式，這樣獲得的結果更趨近于真實的情況。由于拓撲優化對加強筋及凸緣剛度的敏感性較高，因此在采用傳統的拓撲優化方法，定義設計變量時，將體積和應變能作為目標響應，設計空間的體積減少量作為優化的約束條件，總體的應變能作為最終的目標函數，這里的總體應變能不僅包括設計空間的應變能，同時也包括非設計空間的應變能。
最后，根據拓撲優化結果云圖，返回CAD模型，結合精密鑄造工藝，盡可能的凸出筋骨，減少大平面，在遵循實體最小原則下重新進行三維設計造型。優化云圖及結構優化方案見圖（5）
拓撲優化云圖（一） 拓撲優化云圖（二）
結構優化方案
圖（5）拓撲優化云圖和結構優化方案
4.2 車身后懸置支架的形狀優化
根據以上拓撲優化結果，確定了一個在給定載荷條件下滿足設計要求的最佳結構布置方案，在此方案的基礎上，對后懸置支架進行細節優化——形狀優化，在形狀優化中，同時要考慮結構應力和屈曲變形。理論上為了突出筋骨，保持整個結構布置的均勻化，同時減少局部應力的集中，我們只對該有限元模型做局部形狀優化，如圖（7）所示，這樣就避免整體優化時間上的浪費。
圖（7）
為形狀優化建立了有限元模型之后，我們要將適合鑄造的工藝參數、應力標準和屈曲要求作為形狀優化的設計約束，將質量最小化設為設計目標函數，對于應力約束，設計約束不允許該處的最大應力超出材料的屈服極限，同時在實際優化過程中，該處結構的厚度只能要求向內側移動，高度只能向上移動。最終經過形狀優化后結構見
[2]
圖（8）所示：
圖（8）形狀優化后最終結構圖
五、結構驗證與對比分析
經過拓撲優化和形狀優化，我們最終得到了較為理想的設計方案，為了驗證該優化方案的可靠性，特對此機構進行有限元分析計算，同時對用傳統的經驗類比方法設計的優化方案進行分析對比。用傳統經驗類比方法設計的方案如圖（9）
圖（9）傳統優化設計方案
結合實際受力情況對傳統優化設計方案和拓撲優化方案分別做有限元驗證分析，應力云圖見圖（10）
傳統優化設計方案應力云圖 拓撲優化方案應力云圖
圖（10）方案驗證應力云圖
由以上分析可知，傳統優化設計方案最大應力高達726MPa，出現在臺肩處，而拓撲優化方案的最大應力雖然達到576MPa，但是位置出現在弧型橫梁上，與傳統優化設計方案相比，相同位置的最大應力由710MPa減少到216MPa。其對比參數見表（3）：
表（3）優化前后結構性能對比
六、結束語
經過上述優化方案的對比，我們可以很清楚的看到，利用傳統的優化方式和利用Hyperworks的拓撲和形狀優化方式的差別，雖然重量相差不多，分別下降了35%和35.5%，但是在同種工況作用下，傳統方式優化的產品結構多處應力超出材質屈服極限，且最大應力達到了726MPa，遠遠超出了的屈服極限，在使用過程中很容易就發生斷裂；而采用Hyperworks的拓撲和形狀優化方式優化的產品結構最大應力只有230MPa，低于所使用材質的屈服極限410MPa，且同一部位由傳統優化結構的710MPa減少到218MPa，同比強度增加了2.65倍，剛度增加了1.27倍，并且優化后的產品結構更適合于鑄造工藝。
由上述可知，車身后懸置支架的優化設計驗證了HyperWorks軟件的OptiStruct模塊在精密鑄造產品的成功應用，說明了此技術在制造中具有非常優秀的特點，打破了生產單位不能獨立改善產品結構的。隨著工業產業的發展，OptiStruct的優化概念將會被越來越多的人接受并有效運用，屆時它將真正成為產品結構設計工程師的左膀右臂。
參考文獻
1、張國瑞 有限元法 北京 工業出版社 1991
2、劉惟信 機械最優化設計（第二版） 北京 清華大學出版社 1994
3、孫靖民 梁迎春 陳時錦 機械結構優化設計 哈爾濱 哈爾濱工業大學出版社 2004
4、于開平 周傳月 譚惠豐 HyperMesh從入門到精通 北京 科學出版社 2005
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