基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计

1、论文导读:：为某国产轿车的挡泥板模型。然后对新模型 进行模态分析。建立拓扑优化模型。论文关键词：挡泥 板，模态分析，拓扑优化，HyperWorks0 引言汽车覆盖件 在拉延成型时，由于其塑性 变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差 的覆盖件受振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽 车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏， 因此覆盖件的刚性要求不可忽视。如图1所示 ，为某国产轿车的挡泥板模型。挡泥板作为汽车覆盖件 的一种，在实际应用过程中发现其刚度不够而导致故障， 必须予以提高。鉴于此，在Solidworks中建立实体模型， 在HyperWorks环境 中对该挡泥板进行了有限元

2、建模和模态分析，得到此覆 盖件的固有频率以及相应振型，并运用HyperWorks的结 构拓扑优化技术对该发动机罩进行了拓扑优化分析，得 到最优的加强筋布局，并重新建模 ，然后对新模型进行模态分析机械论文，发现优化之后 的结果提高了该覆盖件的低阶固有频率。图1 挡泥板的三 维实体模型1 挡泥板模态分析1.1 模态分析基本理论模态 分析是动力学分析的基础，模态 分析的最终目的是确定描述结构动态特性的固有频率、 阻尼比以及振型等参数，为结构系统的振动特性分析、 振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供 依据。N自由度无阻尼系统的自由振动可表示 为：（1）由于弹性体的自由振动可以分解为一系列简

3、谐 振动的叠加，因此可设式(1)的解为:（2）式中,实数,为 简谐运动的频率;任意常数。将式（2）代入式（1）得： （3）将它展开可得到关 于的n 次代数式:（4）频率方程的n个根均为正实根,它们 对应于系统的n个自然频率,假定各根互不相等,即没有重 根,由小到大按次序排列为（5）将求得(r=1,2，n)分别代 入方程(3 )求得相应的，这就是系统的模态向量或振型向量。1.2 挡 泥板有限元模型模态分析结果图2 挡泥板有限元模型在 Hypermesh中对结构件中进行有限元网格划分，根据挡泥 板为板壳结构的特点， 采用了高精度的四边形单元和三角单元进行网格划分， 得到的单元总数为1258个，刚性

4、体单元2个，节点数为 1976个，其中四边形单元1200个，三角形单元58个论文 开题报告。挡泥板有限元总成 模型，如图2所示。对结构件单独进行动力学模态计算时， 结构件的弹性模量为2.06GPa ,泊松比为0.3,材料密度为 7900kg/m3，挡泥板的厚度为0.3mm，在结构件的两个螺 孔处通过 刚性单元建立约束条件，约束其6个自由度,然后在 OptiStruct 中进行动力学振动模态的计算, 提取前6阶模态 频率。同时在HyperView中浏览相应的模态振型,得到前6 阶模态频率, 其模态振型依次如图3所示。图3 挡泥板初始模型的前六 阶模态振型由模态分析结果可知，第1阶频率（整体弯曲）

5、 为43.61Hz。而实际工作环境中要求该挡泥板的第一阶固 有频率不得低于50Hz， 因此不符合条件，这是导致故障的直接原因。提高挡泥 板的刚度，可考虑在发动机罩上设置加强筋，提高低阶 模态频率，增加挡泥板的刚度。因此，在设计方案的优 化过程中，根据实际制造工艺以及成本控制的 要求，通过优化挡泥板加强筋位置，提高低阶固有频率， 增加挡泥板的刚度。表1 挡泥板前6阶固有频率 阶次 固有频率(Hz) 1 43.6 2 68.7 3 98.27 4 110.9 5 154.7 6 179.6 2 挡 泥板的优化设计2.1 建 立拓扑优化模型结构拓扑优化的主要思想是将寻求结构 的最优拓扑问题转化为在给

6、定的设计区域内寻求最优材 料分布的问题，表现为“最大刚度”设计，其实质是材 料的删减。由于挡泥板根据要求设计，其厚度 不能低于0.3mm，因此不能直接通过拓扑优化来确定挡 泥板加强筋的分布，必须转换一下思路：将挡泥板的厚 度由原先的0.3mm增加到1mm，然后在这1mm的基础上 进行拓扑优化设计机械论文，删 减材料直至挡泥板的最低厚度为0.3mm。这样就可以在 质量不增加很多，厚度不低于0.3mm的情况下实现挡泥 板的拓扑优化设计。在进行结构拓扑优化前，首先根据 设计要求和结构特点定义结构的初始 设计区域，然后根据结构所要满足的功能选择合适的目 标函数。如图所示，由于挡泥板根据造型要求设计，其

7、 两边的结构已经成型，故本文将其选为非优化区域，挡 泥板中间的红色部分则作为优化设计区域。为 了满足该覆盖件的刚度条件，以第一阶固有频率最大化 为目标函数，以体积分数（质量）小于等于0.3为约束条 件，建立挡泥板的拓扑优化设计模型：Find: Maximize: Frequency 1Subject to: （6）;在HyperMesh中设置好各项优化参数后， 提交OptiStruct进行拓扑优化，整个优化过程经历7步迭代， 优化后的单元密度云图，如图4所示，优化过程 中前6阶固有频率变化如图5所示。图4 挡泥板优化后的单 元密度云图密度值为1 的位置对应在密度图上的红色区域， 表示进行结构设计时该处应该布置结构，密度值为0.001 的位置对应密度图上的深 蓝色区域，表示进行结构设计时该处不需布置结构。由 于拓扑优化区域是挡泥板中间部分，因此，从图4中可以 看出需要布置加强筋的位置。图5 前6阶固有频率迭代过 程由图5可知，在拓扑优化过程中其第 一阶固有频率不断提高。由于在拓扑优化中，挡泥板优 化区域以及非优化区域的厚度设置为1mm，比原始模型 要厚，