关于Hypermesh拓扑优化模块的车辆结构轻量化.doc

项目编号： 长春工业大学大学生创新创业训练计划项目申请书（创新训练项目） 项目名称 关于Hypermesh拓扑优化模块的车辆结构轻量化 所属一级学科名称 机械工程 所属二级学科名称 车辆工程 项目负责人 田德福 指导教师 杨士通 教师所在单位 机电工程学院 二一六年四月二十日6填 表 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2申请人可以是个人，也可为团队，封面只填负责人。“项目编号”一栏不填。3本申请书统一要求A4纸型正反面打印，左侧装订成册。（装订要求：两钉装订法，位置分别为距离上、下页面边缘“7厘米”，距离左侧边缘“1厘米”附近处平行左侧边缘装订）4本申请书中除签字部分外，其它一律不准手写。中文统一用“仿宋_GB2312”字体，数字字母统一用“Times New Roman”字体。除特殊说明外，字号大小统一用小四号字。5根据情况，可在申请书中自行加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。6未按上述要求填写或装订申请书的项目，一律不予立项。一、项目基本情况创新实验项目名称关于Hypermesh拓扑优化模块的车辆结构轻量化项 目 起止 日 期2016年 4 月 2017 年 4 月申请人姓 名田德福所在学院机电工程学院班 级140110班专 业车辆工程学 号20140397联系电学期平均学分绩点第一学期2.7第二学期2.7第三学期2.6第四学期第五学期第六学期第七学期第八学期曾经参与的科研及获奖情况：无项目组成员 姓 名所在学院、专业班 级学 号所承担具体任务田德福机电工程学院、车辆工程14011020140397总体方案设计张文钦机电工程学院、车辆工程14011020140410结构建模翟一臣机电工程学院、车辆工程14011020140408模型修正魏彭垚机电工程学院、车辆工程14011020140402有限元编程赵承章机电工程学院、车辆工程14011020140412论文撰写指导教师姓 名杨士通所在学院机电工程学院职务/职称讲师专 业/研究方向车辆工程/车辆轻量化联系电子邮箱主要成果 ： 作为主要参加人在读博期间参加“某载重自卸车轻量化设计”横向项目1项，发表论文3篇，其中SCI检索3篇。二、项目论证（一）研究目的： 随着计算技术和汽车工业的发展，汽车结构的动态设计、优化和仿真技术越来越成为人们解决汽车安全性、舒适性、稳定性等问题的主要手段。然而在进行汽车动态设计、优化和仿真过程中，结构的拓扑优化是设计中的关键一环。本课题拟采用ANSYS软件的APDL语言对车辆结构建模，进而研究汽车结构在动态设计、优化和仿真中的因其有限元模型修改而产生的一系列计算问题，设计出对hypermesh中拓扑优化模块进行二次开发，编写出相应的程序模块。本课题涉及数学、力学和汽车工程领域，研究成果可以提高传统汽车动态设计、结构拓扑优化，节约计算成本和时间。（二）研究内容：在汽车结构动态设计、优化和仿真过程中，汽车结构模型修改涉及材料属性、零部件尺寸、车身拓扑形状以及各组件位置布局等修改。我们拟采用ANSYS的APDL语言，对结构部件建模，通过应用hypermesh中拓扑优化模块对车辆结构进行拓扑优化，通过自编程序，完成相关计算，尝试和ANSYS的无缝连接，做ANSYS的二次开发。（三）国内外研究现状和发展动态：近年来，我国在乘用车和商用车的产销量方面增长迅速。汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平，开发独立自主的核心汽车产业技术是我们的必然选择1。随着燃料价格的不断攀升，车辆轻量化已成为大趋势。车辆轻量化能够节约能源，减少二氧化碳排放，同时还能提高运输效率、降低运输成本，并带来巨大的经济效益。所谓车辆轻量化，就是采用科学方法和手段对汽车产品进行优化设计，在确保车辆综合性能指标的前提下，通过使用新型材料，尽可能降低汽车产品自身重量，达到减重、降耗、环保、安全的综合目标2。国外学者对基于结构优化的车辆轻量化进行了大量的研究工作，他们提出了先进的优化理念，将形状优化、尺寸优化等多种优化方法应用到实际研究中。例如，通用汽车公司的R.R.MAYER、密歇根大学的R.A.SCOTT和N.KIKUCHI应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零部件进行了优化设计，优化后零件呈蜂窝状，在提高安全性的同时也减轻了结构重量。韩国汉阳大学的J-K.Shin等人采用拓扑优化与尺寸优化、形状优化相结合的优化方法，对轿车前车门内板进行了结构优化和轻量化，成功地使前车门内板的质量减轻了8.72%。相比国外而言，我国在汽车轻量化方面的研究还处于起步阶段，但汽车轻量化进程刻不容缓，随着国家汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波正式宣布成立，表明国内汽车轻量化的大幕已经开启。国内很多院校和学者都在轻量化方面做了大量的工作，上海交大的林忠钦教授课题组在结合汽车的耐撞性与轻量化方面作了卓有成效的工作，华中科技大学、北京航空航天大学、扬州大学等结合有限元优化方法开展了客车的轻量化的研究。在“十五”与“十-五”期间，我国在汽车轻量化材料技术方面开展了深入的研究并取得了一些成果，另外，宝山钢铁公司也在开发轿车用高强度钢板上做了大量的工作，并成功开发出DP，TRIP系列的车用高强度钢板，并逐渐推广运用到一汽轿车、奇瑞汽车公司的轿车车身上。但国内的车辆轻量化和CAE分析技术尚存在如下不足：车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计，对汽车结构的优化多根据经验性结论进行局部的静力学改善，设计与分析未能真正做到并行3。目前，有关车辆结构的优化设计大多还处在科研和学术范围内，距离企业的实际需要尚有距离。对于企业来说，一个新车型的研发是一个非常复杂的系统工程，以至于它需要几百号人花费上3、4年左右的时间才能完成，因此一个企业不可能频繁的进行新车型的研发，而对现有的车型根据用户使用和反馈跟踪进行改型优化则是一般企业经常需要进行的。这种改型优化要求根据市场要求快速做出反应，因此怎样利用已有车型的设计信息根据市场反馈结合商业软件快速得到优化车型并给出评估和生产图纸，对增长一个企业的市场竞争力是至关重要的4。对于车辆结构的优化设计，现在已有多种集几何建模、有限元分析和结构优化的CAE商业软件供用户选择，如ANSYS、Hyperworks等5-8。如何使软件使用便捷、高效成为企业所关注的重要问题。目前国内许多应用CAE软件的企业只停留在使用阶段，对CAE流程自动化系统的开发仍是空白。特别是在汽车企业改型生产中，往往要求从原图纸产生新图纸。图1所示为车型轻量化改进的流程，可以看出如果没有良好的自动化流程，各软件的链接都需要人工进行，其成本和耗时将是巨大的。人工人工软件设计优化方网格剖分优化分析修改模型及装配原车型图纸新车型图纸人工人工生产方图1 车型改进流程本项目的研究目标是根据企业实际需要开发出关于车型轻量化的拓扑优化模块，该系统能大量减少人工参与，并且能根据企业提出的轻量化目标快速得到生产图纸，提高生产效率，缩短改型周期。人工自动软件设计优化方三维建模、装配网格剖分优化分析修改模型及装配原车型图纸新车型图纸人工自动本项目的研究内容是主要分为两部分：1、建模参数与设计参数的统一接口建立。当前的三维建模软件和优化分析软件虽然在功能上互有交叉，但就其专业性和实用性来说仍是各有所长，为提高生产效率，我们需要建立建模软件与优化软件的数据接口，使得建模参数和优化参数可以自动在两种软件之间传递。2、优化后生产图纸的自动生成。当使用优化软件将车辆结构按照生产方的轻量化目标完成优化后，需要将优化后的车型自动形成生产图纸，这需要两个步骤完成：1）优化后的设计参数传递给建模软件，2）建模软件按照生产需求生成图纸。完成上述两部分研究内容后新的车型改进流程如图2所示。由于减少了人工参与，不仅提高了生产效率而且减少了人为差错。生产方参数共享图2 车型改进新流程根据本项目的研究目标和研究内容，本项目主要拟采用ANSYS中的APDL语言结构建模，使用Hypermesh作为前处理的网格剖分软件，采用OptiStruct作为优化软件。这样本项目拟解决的关键性问题为：1）OptiStruct或ANSYS软件的参数接口的建立。我们可以通过两种软件的二次开发功能或自编软件将设计优化参数以磁盘文件形式共享，这样我们只需确定设计参数，并将其保存文件，在OptiStruct或ANSYS中将参数提出赋值即可。2）优化后的参数输出。当优化执行后，设计参数发生了改变，我们需要将变化后的设计变量值从优化软件中取出并应用到建模软件中。3）生产图纸的生成。当模型中的设计变化后，其零件的尺寸、位置及装配关系都有可能发生了变化，如何将三维模型转化为生产图纸，是非常关键的问题。相信有了上述问题的解决，我们可以初步搭建一个汽车轻量化的半自动流程，该流程虽然仍需要人工在网格处理、参数选择等方面工作，但已大幅减少人工在整个流程中的工作比例，不仅提高了生产效率同时减少了人为差错带来的消极影响。参考文献1 唐杰, 杨沿平, 周文杰,中国汽车产业自主创新战略,科学出版社,北京，2009年3月.2 Barthelemy J-FM, Haftka RT. Approximation concepts for optimum structural designa review. Struct. Optimization 5 (1993) 129-144.3 黄金陵，汽车车身设计，机械工业出版社, 2007, 北京.4 He J J, Jiang J S, Xu B, Modal reanalysis methods for structural large topological modifications with added degrees of freedom and non-classical damping. Finite Elem. Anal. Des. 44 (2007) 75-85.5 曾攀, 雷丽萍, 方刚. 基于ANSYS平台有限元分析手册结构的建模与分析. 机械工业出版社, 北京, 2010.6 王新敏. ANSYS工程结构数值分析.人民交通出版社, 北京, 2007.7 雷飞，韩旭，黄永辉，车身复杂结构大规模问题的缩减计算，中国机械工程 20（2009）2127-2131.8 Kirsch U, Reanalysis of Structures：A Unified Approach for Linear, Nonlinear, Static and Dynamic Systems. Springer, 2008.（四）创新点与项目特色：1.应用ANSYS的APDL语言对车辆部分结构建模，进行初始分析。2.通过应用初始分析数据，结合Hypermesh中的拓扑优化模块进行结构优化， 在原有模块的基础上进行二次开发。（五）技术路线、拟解决问题：1. 技术路线 首先采用ANSYS的APDL语言进行结构建模与分析，获得相关初始数据；然后对结构进行网格划分，确定优化方案； 最后应用Hypermesh中的拓扑优化模块进行优化，尝试与ANSYS进行无缝连接。2. 拟解决问题： ANSYS中的APDL语言结构建模； 用Hypermesh中的拓扑优化模块进行优化，与ANSYS无缝连接。（六）预期成果及形式：1. 完整程序包23套；2. 项目研究报告1份；3. 发表学术论文或申请专利12篇；（七）项目研究进度与安排：1、2016.042016.05 完成资料收集、整理；2、2016.062016.07 完成总体方案设计工作；3、2016.082016.09 完成车辆结构的建模；4、2016.102016.11 完成车辆结构的网格划分方案；5、2016.122017.02 完成相关程序编写，撰写相关学术论文； 6、2017.032017.04 整理设计资料，撰写报告，完成项目的验收工作。（八）已有基础：1与本项目有关的研究积累和已取得的成绩 初步掌握ANSYS的APDL语言； 能应用MATLAB进行简单编程。2已具备的条件、尚缺少的条件及解决方法 车辆图纸已具备，需要应用Hypermesh对车辆结构进行网格化分，这一过程并不熟悉。通过查阅文献，找相关资料解决这一问题。三、经费预算（下表请用五号大小字号填写）开支科目预算经费（元）主要用途预算经费总额1业务费(1) 计算、分析、测试费1000有偿使用高性能工作站的计算测试费用（校外完成）(2) 图书、资料、印刷费30001、 必要书籍购置费2、 资料录入费3、 资料检索(3) 会议、差旅费12001、专家咨询费2、课题组会务费3、通讯咨询费(5) 论文出版费40001、 论文版面费2、 专利费2原材料购置费40001、打印纸2、硒鼓3、墨盒4、笔，墨水等文具5