基于Optistruct的保险杠横梁拓扑优化设计

基于Optistruct的保险杠横梁拓扑优化设计
魏显坤;石英;唐清科
【摘要】基于结构优化软件Optistruct,运用拓扑优化方法,对某车保险杠横梁结构进行了拓扑优化设计,得到保险杠横梁的初步结构,为进一步的尺寸优化打下了基础.【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2017(000)003
【总页数】3页(P14-15,21)
【关键词】拓扑优化;Optistruct;保险杠横梁
【作者】魏显坤;石英;唐清科
【作者单位】重庆工商职业学院,重庆401520;重庆广播电视大学,重庆401520;重
庆长安汽车股份有限公司,重庆400000;东风小康汽车有限公司,重庆400000
【正文语种】中文
【中图分类】U463
汽车保险杠作为重要的被动安全装置，对降低汽车低速碰撞事故中的损失有着重要作用。

因此，对汽车保险杠横梁进行结构优化设计，提高吸能特性具有重要的意义。

扫描某车钢制保险杠横梁轮廓，根据数据云图建立了保险杠有限元模型。

用6061铝合金替换低碳钢，基于Optistruct软件，运用拓扑优化方法得到保险杠横梁的
初步结构，为下一步的尺寸优化提供了基础。

结构优化设计将工程结构设计与数学中的最优化理论相结合，工程师在结构设计时，可从多种方案中快速找到最优的设计方案，提高优化设计的效率[1]。

拓扑优化问
题就是在一定的区域内寻求最佳的材料分布问题[2-5]。

拓扑优化主要用于产品开
发的概念设计阶段，在结构形状未定的情况下，根据边界约束等条件优化删除低密度单元，为工程师提供最佳的材料分布，经过修改调整可初步确定零件的结构形状，为详细设计提供基础，在结构优化中得到广泛应用。

本文采用变密度法对保险杠横梁进行拓扑优化设计。

结构拓扑优化的流程[6]，如图1所示。

2.1 使用CATIA构建保险杠几何模型
在CATIA软件中导入三维扫描仪扫描某车钢保险杠原型得到的点云数据，对点云
预处理编辑后重组曲面，生成钢保险杠的三维模型，如图2所示。

根据钢制保险
杠的外形几何尺寸确定铝合金保险杠的几何尺寸。

2.2 使用HYPERMESH建立保险杠横梁的有限元优化模型
保险杠是轴对称结构，为了减少运算时间，以保险杠结构的一半构建拓扑优化有限元模型。

保险杠吸能盒和横梁边缘是非拓扑优化区域，中间是可拓扑优化的部分，如图3所示。

中间区域以2 mm×2 mm ×2 mm的尺寸划分体网格，最外圈以2 mm×1 mm的尺寸划分体网格。

单元数elems一共是515 536.节点数nodes一共是548 819.
定义铝合金材料参数如表1所示。

模型拓扑优化问题描述如下：
（1）目标：最小应变能。

（2）约束：体积分数，体积分数上限为0.3.约束保险杠横梁中面所有节点的Y方向的自由度，对吸能盒最外层的非优化区域的所有节点施加约束，约束XYZ三个
方向的移动自由度，对保险杠横梁中间位置施加均布载荷大小为3 kN.
（3）响应：体积分数、最小应变能。

（4）设计变量：单元密度。

保险杠的拓扑优化模型，如图3所示。

将保险杠有限元模型提交求解器Optistruct求解运算，拓扑优化之后，保险杠横
梁的材料分布如图4所示。

根据拓扑优化计算结果，简化处理后，保险杠横梁断
面结构形状如图5所示，呈目字型，和经验设计方案相符，达到预期目标。

（1）本文将材料替换和结构优化相结合，对某车保险杠进行了优化设计，为汽车零部件产品的轻量化设计提供了新的思路。

（2）运用拓扑优化设计初步确定横梁的材料布局，为进一步的尺寸优化打下了基础，避免结构设计的盲目性，缩短了零部件开发的时间，降低了零部件的开发成本。

【相关文献】
[1]张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]魏显坤，米林，万鑫铭，等．基于Optistruct的铝合金半挂车车架结构拓扑优化设计[J]．四川
兵工学报，2012（1）：86－89．
[3]谢涛，刘静，刘军考.结构拓扑优化综述[J].机械工程师，2006（8）：20-25
[4]罗震，陈立平，黄玉盈，等.连续体结构的拓扑优化设计[J].力学进展.2004（11）：60-63.
[5]周星亮，黄妙华.车身骨架结构拓扑优化设计综述[J].上海汽车，2008（8）：70-75.
[6]石琴，洪洋，等.拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用[J].机械设计，2005，
22（2）：30-34.。