0 前言

    對(duì)于薄壁鈑金支架零件，在鈑金型材上沖壓加強(qiáng)筋，在材料成本不變的前提下是提高支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要手段，因此確定加強(qiáng)筋布置方案是支架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，有限元技術(shù)在各種汽車支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1]，但由于零件具體形狀、安裝位置的不同，支架上加強(qiáng)筋的布置也各不相同。根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)加強(qiáng)筋布置方案進(jìn)行改進(jìn)大多只能憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，得到的往往只是可行性設(shè)計(jì)而不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，如何借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及分析工具獲取支架加強(qiáng)筋的最優(yōu)布局是設(shè)計(jì)者們正需要解決的問(wèn)題。

    形貌優(yōu)化是一種針對(duì)薄壁板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的筋分布的概念設(shè)計(jì)方法，該方法同樣適合應(yīng)用于鈑金型材沖壓件的設(shè)計(jì)。目前，借助商業(yè)有限元軟件的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的改進(jìn)設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用[2][3]，但在燃油箱殼體設(shè)計(jì)應(yīng)用及加強(qiáng)筋參數(shù)設(shè)置等方面的研究還少見(jiàn)報(bào)道[4]。 本文以形貌優(yōu)化在某新車型金屬燃油箱下殼體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，尋找由形貌優(yōu)化到燃油箱殼體加強(qiáng)筋布置最優(yōu)的解決方案。

1 原始概念設(shè)計(jì)有限元模型建立及模態(tài)分析

    1.1 燃油箱幾何模型的導(dǎo)入、重構(gòu)及修整

    將工程師提交的初版燃油箱的幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中。

    由于燃油箱上下殼屬薄壁零件，導(dǎo)入的UG模型需要利用Geom面板(幾何面板)中的MidSurface功能對(duì)其進(jìn)行中面的抽取。抽取的中面存在縫隙、重疊、錯(cuò)位等缺陷，需要利用Geometry CLEANup(幾何清理)功能消除以合并自有邊，然后消除不必要的細(xì)節(jié)，這可以提高整個(gè)劃分網(wǎng)格的速度和質(zhì)量，減少計(jì)算誤差。

    1.2 燃油箱殼體幾何模型的網(wǎng)格劃分

    幾何清理工作做完以后，就可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分完后須進(jìn)行單元質(zhì)量檢查，HyperMesh軟件可自動(dòng)找出錯(cuò)誤單元和質(zhì)量差的單元，這些單元在計(jì)算和優(yōu)化時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，使計(jì)算或程序不能繼續(xù)或得出錯(cuò)誤結(jié)果。檢查的內(nèi)容包括：?jiǎn)卧�最小尺寸、單元最大長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比、四邊形最大角、四邊形最小角、三角形最大角、三角形最小角、對(duì)角線余角、雅可比和三角形占所有單元的百分比。選擇其中一項(xiàng)后，不合格的單元會(huì)以紅色顯示，質(zhì)量差的單元會(huì)以黃色顯示，質(zhì)量較好的單元?jiǎng)t以透明顯示。HyperMesh對(duì)檢查出的有顏色的單元提供了強(qiáng)大的質(zhì)量修復(fù)功能，包括：place node(移動(dòng)節(jié)點(diǎn))、swap ease(交換邊界)、node optimize(節(jié)點(diǎn)優(yōu)化)和element optimize(單元優(yōu)化)功能。

    對(duì)完成的燃油箱有限元模型四個(gè)安裝點(diǎn)施以固定約束，輸入ST14材料的楊氏模量2.1GPa，泊松比0.3及質(zhì)量密度7.85g/cm³，得到初始概念設(shè)計(jì)數(shù)模的模態(tài)分析有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 燃油箱原始概念有限元模型

    1.3 初始模型燃油箱模態(tài)分析

    利用圖1所示模型，求解得到燃油箱前五階模態(tài)，其中1階模態(tài)為58HZ,在郵箱下殼體中部（圖2）。由于汽車在行駛中，路面的激勵(lì)頻率一般低于50HZ,而國(guó)標(biāo)GB18296規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)頻率為30HZ，考慮到計(jì)算誤差及未考慮到油液質(zhì)量的影響，因此公司企標(biāo)把燃油箱的一階模態(tài)定義為大于80HZ。從分析結(jié)構(gòu)來(lái)看無(wú)法滿足要求，需要對(duì)下殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 燃油箱模態(tài)1階振型圖

2 對(duì)最初設(shè)計(jì)進(jìn)行形貌優(yōu)化

    為了獲得支架加強(qiáng)筋布置方案，使用Optistruct軟件對(duì)支架進(jìn)行形貌優(yōu)化。在形貌優(yōu)化計(jì)算之前，先把原始數(shù)模上的加強(qiáng)筋去除，重新劃分網(wǎng)格，在計(jì)算前必須先設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，即可以布置加強(qiáng)筋的區(qū)域。 由于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)變形后起筋與未起筋區(qū)域之間的網(wǎng)格形狀變化較大，容易導(dǎo)致網(wǎng)格畸變。因此除了安裝位置、不需要起筋的位置外，對(duì)一些零件連續(xù)折彎或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法向角度急劇變化的區(qū)域，為了避免在該區(qū)域的由于節(jié)點(diǎn)自動(dòng)變形而產(chǎn)生質(zhì)量過(guò)差的網(wǎng)格導(dǎo)致計(jì)算不收斂的現(xiàn)象，將這些區(qū)域也設(shè)置成非優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域。最終確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域如圖3藍(lán)色所示。

圖3 去除原始加強(qiáng)筋后的有限元分析模型圖

    同時(shí)定義加強(qiáng)筋的基本參數(shù)。根據(jù)支架材料的成形特性確定加強(qiáng)筋的高度為10mm；另外需定義加強(qiáng)筋最小寬度，若定義一個(gè)較小的最小加強(qiáng)筋寬度，軟件迭代計(jì)算次數(shù)增加較多，而且寬度較小的加強(qiáng)筋對(duì)支架整體強(qiáng)度影響較小，為了減少計(jì)算時(shí)間根據(jù)支架整體尺寸定義加強(qiáng)筋的最小寬度為40mm。定義形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域和加強(qiáng)筋基本參數(shù)后，再設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)——第一階固有頻率最大，就可以提交計(jì)算通過(guò)形貌優(yōu)化軟件獲取加強(qiáng)筋的最優(yōu)布置方案。經(jīng)過(guò)23輪迭代計(jì)算后該下殼體的形貌優(yōu)化分析結(jié)果如圖4所示，此時(shí)一階模態(tài)達(dá)到了90.5HZ，而原始去掉加強(qiáng)筋的模型一階模態(tài)僅為22HZ，可見(jiàn)存在巨大的優(yōu)化空間。

圖4 優(yōu)化結(jié)果

3 根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果布置加強(qiáng)筋

    根據(jù)形貌優(yōu)化的分析結(jié)果結(jié)合零件功能及工藝可行性，布置燃油箱殼體加強(qiáng)筋，最后設(shè)計(jì)完成的燃油箱下殼體模型如圖5所示。

圖5 最終設(shè)計(jì)模型

    最后對(duì)完成設(shè)計(jì)的燃油箱進(jìn)行模態(tài)分析，得到整個(gè)燃油箱總成的一階固有頻率為82.8Hz（見(jiàn)圖6），其一階模態(tài)出現(xiàn)在燃油箱上殼體中間部位，說(shuō)明下殼體模態(tài)應(yīng)該更高，其分析結(jié)果與形貌優(yōu)化分析結(jié)果匹配良好，與最初的設(shè)計(jì)方案相比，第一階固有頻率提高了42%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 最終模型的一階模態(tài)振型圖

4 總結(jié)

    1)對(duì)于薄壁鈑金件加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，在加強(qiáng)筋最大高度確定的前提下，關(guān)鍵是找到加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)目標(biāo)（如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、某階固有頻率等）的最佳起筋區(qū)域布置方案，只有這樣才能獲得滿足成本及設(shè)計(jì)要求的最佳結(jié)果。

    2)通過(guò)形貌優(yōu)化方法布置燃油箱殼體的加強(qiáng)筋，不但可以有效提高燃油箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且可以優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程，大幅縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。本文對(duì)基于形貌優(yōu)化方法對(duì)燃油箱殼體加強(qiáng)筋進(jìn)行布局的研究為該方法在鈑金零件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了很好的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 呂兆平等 基于有限元技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究 汽車工程，2009（4）

    [2]賈維新等，基于形貌優(yōu)化的低噪聲油底殼設(shè)計(jì)研究【J]浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）2007，41（5）；770-773.

    [3]舒歌群等，基于HYPERWORKS的柴油機(jī)油底殼有限元建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化【J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2008（2）：25-27

    [4]袁登木，龍海強(qiáng). 燃油箱形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究. Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論文集

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.oesoe.com/

本文標(biāo)題：2013PLM征文：金屬燃油箱形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

本文網(wǎng)址：http://www.oesoe.com/html/solutions/14019311346.html