基于HyperWorks的引擎盖安全钩优化设计

基于HyperWorks的引擎盖安全钩优化设计
郑冬黎汪双群张胜兰
湖北汽车工业学院湖北十堰442002
摘要：某型轿车引擎盖安全钩在性能检测时发现手柄末端横向位移过大，经有限元分析得知该问题是由于安全钩支架的扭转刚度不足导致。

在不改变安全钩支架制造材料的前提下，基于HyperWorks的结构优化技术对支架进行改进设计，在支架的扭转刚度得到较大提高的同时，质量减轻了11.4%。

关键词：开口薄壁杆件，扭转刚度，优化设计，HyperWorks
引言
某型轿车引擎盖安全钩，在性能检测过程中，当安全钩的手柄和支架开度达最大时，手柄末端的位移超过了设计要求。

本文基于HyperWorks软件对该安全钩进行有限元分析及结构优化设计，在不改变材料的前提下，使其性能满足设计要求。

设计要求：安全钩检测时，在手柄和支架间夹角为11.48°，手柄最大移动位置处，对手柄末端横向施加50N的作用力，速度为10mm/min，支架固定不动，要求手柄下端的移动不超过5mm，且应力必须保证在材料开裂限制之内。

1安全钩的有限元分析
1.1有限元模型的建立
运用CATIA软件建立安全钩的三维模型，如图1。

图1 安全钩三维模型
运用HyperWorks软件进行有限元分析，对其几何模型进行必要的几何清理，确定四面体单元平均尺寸为2mm，建立网格模型。

手柄和支架的联接处无相对运动，受力后联接处只有部分接触，在3D/replace页面将手柄和支架的接触处若干节点合并以模拟联接状态[3]。

在手柄末端横向施加50N的力；在与手柄联接端的支架支撑处选择8个节点施加三个移动自由度的约束，在另一端选择3个节点施加两个移动自由度的约束，两处施加的约束均最大范围覆盖支撑结构，用以模拟实际约束状况。

建立的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型
1.2结果分析
通过线性静态分析得模型位移云图（图3）和应力云图（图4）。

图3 位移云图图4 应力云图由云图知：手柄末端节点最大位移是7.12mm，大于许用位移5mm；安全钩受到的最大应力发生在手柄和支架联接处的接触点，最大应力是124MPa，小于手柄强度极限180MPa，大于支架强度极限100MPa。

但仔细观察可发现：最大应力发生在支架和手柄点接触处，而离开支架和手柄接触点处，手柄最大应力单元邻近单元的应力远小于手柄强度极限180MPa，而周围其他处应力更是迅速下降，应力更小；支架最大应力单元邻近单元的应力也远小于支架强度极限100MPa。

由此可见安全钩最大应力124MPa是合并手柄和支架接触处节点时引起的局部应力集中造成的，安全钩不存在强度问题。

查看安全钩变形动画知，手柄末端的位移主要是由支架的扭转变形经传递放大所致，故欲改善整个模型的刚度，减少手柄末端最大位移值应着眼于改善支架的扭转刚度。

2改进设计
2.1改变支架截面尺寸
在保证强度的条件下，只要适当提高支架的扭转刚度，就可满足设计要求。

经验设计一般是通过适当改变支架截面的尺寸[1]，如增加其槽形截面的壁厚，来提高支架的扭转刚度，每次将支架壁厚增加0.5mm直至刚度和强度均满足设计要求为止。

线性静态分析结果如图5，图6所示。

图5 2mm位移分析图图6 2.5mm位移分析图由结果知：当支架壁厚为2mm时，手柄末端最大位移为5.41mm；当支架壁厚为2.5mm，手柄末端最大位移为3.82mm，此时强度亦满足要求，是可行性设计。

2.2 优化设计
2.2.1优化设置
在支架壁厚为2.5mm基础上进行拓扑优化。

优化设置时，支架的联接结构和支撑结构设置为非设计区域，对其他处进行拓扑优化。

优化参数设置如下：设计变量为单元密度；响应有体积响应和位移响应，体积响应指向设计区域，位移响应指向手柄末端位移最大节点处；约束条件为位移响应，上限设置为5mm；目标函数为设计区域体积，设置为最小化[2][3]。

2.2.2优化结果
查看优化结果，确定优化后的最终模型形状如图7所示。

图7 优化结果
2.2.3二次设计
在优化结果的指导下重新设计支架的三维模型。

设支架底板联接套管处材料厚度不变，模型如图8。

图8 支架二次设计模型
将二次设计得到的支架和最初模型中的手柄装配后再次导入HyperWorks中进行位移和应力分析，建立有限元模型时的设置和最初模型的设置相同，得如图9所示结果。

图9 二次设计方案的位移云图
由位移云图知手柄末端最大位移为4.89mm；且满足强度条件，二次设计方案满足设计要求，是可行性方案。

通过优化设计得到的支架在满足设计要求的同时，与原始支架相比，节省材料11.4%。

3 结论
1）对安全钩进行有限元分析，手柄末端节点最大位移是7.12mm，大于许用位移5mm，不满足设计要求，原因在于支架的扭转刚度不足。

2）将支架壁厚增加为2.5mm，手柄末端最大位移为3.82mm，在此基础上对支架进行拓扑优化，改进设计后的安全钩满足其位移和强度条件，且节省11.4%的材料。

4 参考文献
[1] 刘鸿文主编.高等材料力学（M）.北京：高等教育出版社，1985.10
[2]张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚琳编.基于HyperWorks的结构优化设计技术（M）.北京：
机械工业出版社，2008
[3] HperWorks Help Documents , Altair Engineering。