基于多性能耦合的引擎盖内板结构优化

2 2 0 机械 设 计与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 1 1期 2 0 1 2年 1 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 1 0 2 2 0 0 3 基于多性能耦合的引擎盖内板结构优化 王源绍王丽娟 陈宗渝吴祥清 南昌大学 机电工程学院 南昌 3 3 0 0 3 1 S t r u c t u r a l 0p t i mi z a t i o n f o r t h e Ho o d Ba s e d o n Mu l t i Fu n c t i o n Co u p l i n g WA N G Y u a n s h a o WA N G L i j u a n C H E N Z o n g y u WU X i a n g q i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g N a n c h a n g U n i v e r s i t y N a n c h a n g 3 3 0 0 3 1 C h i n a 摘要 汽车轻量化设计是汽车节能减排的重要手段 同时又必须满足各种工况及 N V H等性能 要求 对于多学科 间的多性能综合优化 软件 多采用线性加权方法 但对非凸优化问题 来说 不能确保 得到所有 P a r e t o 最优解 因此采用基于折衷规划法和平均频率公式构造的优化方程对引擎盖内板进行 多性能约束的拓扑优化 获得更准确材料密度分布 从而更有效的对引擎盖进行结构改进和优化 并通 过与原车型引擎盖的刚度及模态和质量等数据进行对比分析 验证了优化方案的可行性及轻量化效 果 关键词 转有限元 拓扑优化 多性能耦合 优化方法 A b s t r a c t T h e l ig h t w e ig h t d e s i g n is a n im p o r t a n t m e a n a ofe n e r g y s a v i n g a b o u t v e h i c le a t t h e s a m e t i m e i t nee d s t o me e t t h e p e ff o r ma n c e r e q u i r e me n t of d iffe r e n t c o n d i t i o n s a n d N V H A b o u t m u l t i s u b j e c t a n d mu h i f u n c t i o n c o m p r e h e nsi v e o p t i miz a t i o n t h e 8 o f t w a r e u s e s l i nea r w e i g h t e d me t h o d t o a n a l y z e w h i c h c an t g e t a l l t h e b e s t P are t o o p t i m al s o l u t i o n B a s e d O n S I MP s o l i d i s o t r o p i c m a t e r i a l w i t h p e n a l i z ati o n met h o d and m e a n f r e q u e n c y f o r m u l at i o n a n e w e q u at i o n t o fi n is h m u l t i f u nct i o n to p o l o gy o p t im iz a t i o n a b o u t h o o d is d e fi ned i n o r d e r t o g e t m o r g c u m e r e s u l t a n d ln D r e e ff e c t iv e s t r u c t u r e i m p r o v e m e n t a n d o p t i m iz ati o n of t he h o o d C o n t r ast t h e new h o o d w i t h o r i g i n a l h o o d abo u t t h e d at a of s t iffnes s m o d al a n d q u ali t y t h e m e t h o d is v e r ifie d f e a s i b l e a n d t h e e ffe c t o fl i ght w e i ght is a c h i e v e d Ke y W o r d s F EM To p o l o g y Op t i mi z a t i o n Mu l t i Fu n c t i o n Co u p l i n g Op t i mi z a t i o n M e t h o d 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 节能减排是我国建设 资源节约型和环境友好型 社会的重 点工作 作为世界第一汽车产销国 我国汽车行业的节能减排显 得尤为重要 车身轻量化作为汽车节能减排的重要手段的同时 也对汽车被动安全陛 强度 刚度和 N V H等造成不利影响 对于 这一冲突 国内外多利用经验和试凑法 其开发成本高 设计周期 长 在工程实践中 现代设计方法的集成应用 极大地缩短了产 品开发周期 减少了试验时间和经费 增加产品和工程的可靠性 能在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题口 1 然而 针对降 耗设计过程中 节能减排与安全 噪声等其他学科产生的冲突 对 其产生的根源及解决办法 多数仍停留在理论阶段 缺少实际的 应用经验 拓 T o p o 0 g y 优化是一种数学方法 能在给定的空间结构 中生成优化的形状及材料分布 结构拓扑优化的基本思想是将寻 求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材 料分布问题 通过拓扑优化分析 设计人员可以全面了解产品的 结构和功能特征 可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设 计 其作为以提高结构力学性能或减轻结构质量为目标的一种 新兴结构设计方法 目前已广泛在国外汽车企业得到成功应用12 1 来稿 日期 2 0 1 2 0 1 2 3 基金项 目 国家 自然科学基金资助 5 1 1 6 5 0 3 4 引擎盖作为汽车白车身的重要组成部分 主要由内板 外板 组合而成 外板体现汽车的造型特征 内板主要用来增加其刚度 同时引擎盖在碰撞过程中的变形及整车 N V H控制方面都起到重 要作用 对其优化要综合考虑各种整车性能 针对某S U V车型的引擎盖内板进行研究 通过采用新的优 化方法 寻求综合考虑汽车刚度及 N VH等性能要求的拓扑优化 较完整的P a r e t o 最优解 最终使优化结果更加精确 在满足其弯 曲 扭转工况及对模态性能要求的前提下 达到轻量化目的 并与 原车型引擎盖内板对比 验证了基于折衷规划法和平均频率公式 构造的优化方程的拓扑优化方法在处理各性能约束方面的可行 性及优化效果 2构造 目标 函数 按照设计变量的不同 结构优化可分为以下三个层次 尺寸 优化 形状优化和拓扑优化 与尺寸优化 形状优化相比 结构拓 扑优化的经济效果更为明显四 优化设计有三要素 即设计变量 目标函数和约束条件 优 化设计的数学模型可表述为 最小化 M i n i m i z e J r x l x 2 A 约束条件 S u b j e c t T o 第 1 1期 王源绍等 基于多性能耦合的引擎盖 内板结构优化 2 2 1 0 j l A m h k X O k l A m k L s 墨 Ai 1 A n S 托 式 中 孙 设计变量 一 目标函数 g 不等 式约束函数 等式约束函数 上角标 o w e r L i m i t 即下限 上角标 U U p p e r L i mi t 即上限 引擎盖的设计 不仅要满足其弯 扭工况下的强度及刚度等 性能要求 同时还需要保证其模态频率在合理范围 为控制整车 N V H做贡献 然而强度刚度的设计与模态控制存在着跨学科整 车多性能之间的冲突 为此 需要采用多性能耦合设计方法理论 目前采用多 目标拓扑优化的理论方法研究主要有基于均匀化法 h o mo g e n i z a t i o n m e t h o d H M 的简单平面板结构的多目标拓扑优 化 采用线性加权法将多目标问题转化为单 目标问题求解 该方 法对于非凸优化问题来说 不能确保得到所有的 P a r e t o 最优解 为 了克服其方法的缺点 采用折衷规划法 c o m p r o mi s e p rog r a m mi n g a p p r 0 a c h 和平均频率公式 me a n f r e q u e n c y f 0 珊u l a t i o n 来构造新的 拓扑优化目标函数 O p t i S t r u c t 采用三种方法建立近似模型 最优化准则法 对偶 法和可行方向法 O p t i S t r u c t 使用均匀化法 H o mo g e n i z a t i o n 密 度法 D e n s i t y 来定义材料的流动规律 1 主要采用密度法来进行 拓扑优化设计 在密度法中 每个单元的材料密度直接被作为设 计变量 在 0 1 之间连续变化 0和 1 分别代表空或实 中间值 代表假象的材料密度值 基于这种方法 材料的刚度被假想成与 密度成线性关系 O p t i S t r u c t 软件利用 S I MP 基于固体各向同性 惩罚材料插值模型 插值方法作为材料模型 用凸规划法中的移 动渐进线法作为优化算法 同时采用下限约束方法和周长约束法 控制数值不稳定现象 Ml on e k 给出了以结构柔度最小为目标 以质量保留百分 比为约束的变密度拓扑优化模型 fi n d p i l 2 人 n m l n m a x c l s 三p s t 生 一 m o 0 l p 丰 才 料为空的最小密 度值 p 一材料密度 优化过程中通常把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研 究 柔度则用应变能来定义 于是由折衷规划法 8 结合功效函数 法可得至 U 多刚度拓扑优化的目标函数 m in C p s t p 一 0 l 1 i 1 2 人 m0 1 2 A n 式中 m 载荷工况总数 z 单元总数 第 五个工况的权值 g 惩罚因子 q 2 p 一第 k个工况的柔度 目标函数 工况柔度 目标函数的最大值和最小值 以模态频率作为目 标函数进行拓扑优化时 往往容易出现不 同阶数频率震荡问题 采用平均频率公式可以防止在频率目标函数 求解时出现的震荡 问题 定义 固有频率拓扑优化的 目标函数 9 1 f 一 l 式中 A p 平均频率 A J 第 i 阶特征频率 A o s 一给定的参数 用来调整目标函数 厂第 i 阶频率的权重系数 产需 要优 化的低阶频率的阶次 基于以上方法 将不同工况下的刚度目标与模态频率进行 综合 通过将刚度最大问题转化为柔度最小 将一阶模态频率最 大转化为其负值最小 最终得到同时考虑 N V H及刚度性能要求 的综合优化 目标函数 mi n F p 面q p C k 卜 1 A A m xm A p 一 式中 p 综合 目标函数 旷一 柔度目标函数的权重 A A 一 频率目标函数的最小值和最大值 用来消除量纲 其他参数 含义同前 3引擎盖内板拓扑优化设计 针对某 S U V车型引擎盖进行分析 设计 目标要求综合考虑 其刚度与 N