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          基于HyperWorks的駐車制動操縱桿拓撲優化分析

          來源:互聯網????作者:雷雨虹??何欽波??袁登木??黃勇

          1 概述

          在近現代機械領域中,鑄造零件一直占據重要位置。但傳統鑄造件有精度差、重量大、表面粗糙的缺點。隨著現代精密鑄造技術的發展,其精度和表面光潔度都有很大程度提高,精鑄零件在使用領域上愈發廣泛。汽車領域精鑄部件的使用同樣如此,如橋殼、副車架等。相比傳統鈑金焊接件,鑄造件具有如下優點:

          1.一體鑄造成型,組成部件數量少。

          2.無需多次焊接,工序簡潔,生產效率高。

          3.無焊縫、焊點,整體材料一致,對材料疲勞、裂紋等便于分析、控制。

          但鑄造件自重較大,在汽車輕量化大勢所趨的今天,顯得尤為突出和矛盾。本文將以某型車駐車制動操縱桿為例,在滿足材料強度的基礎上,通過多次拓撲運算,優化材料分布,不僅降低了自重0.2Kg,還提升了剛度,優化了工藝性。當然,由于成本、時效等多種因素限制,本例僅對加強筋區域進行了拓撲優化,如果條件允許,全面優化可以取得更理想的效果。在此例中,筆者運用Hypermesh 搭建有限元模型,通過Optistruct 求解。

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          圖1 原始模型

          2 建立有限元模型

          按照分析流程,有限元模型的搭建可粗略人為分為拓撲前設置和拓撲優化設置兩個階段。前者即通常意義的處理幾何、畫網格等建立有限元模型操作,后者主要是拓撲優化參數設置和求解。

          2.1 幾何處理

          3D幾何模型由CAD軟件導入,綜合各種因素,決定僅將加強筋區域列為設計對象進行拓撲優化。將加強筋區域填平,并切割為獨立Solid。

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          圖2 幾何處理模型

          2.2 網格劃分

          設計區域和非設計區域均采用四面體單元劃分,詳見表1:

          表1 網格信息

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          2.3 材料參數

          模型材料為鎂鋁合金,其參數為:

          表2 參數表

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          同理輸入其塑性段曲線。

          2.4 邊界條件

          按照標準,其載荷如下:

          表3 載荷表

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          至此,有限元模型如下:

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          圖3 有限元模型(拓撲)

          3 拓撲優化及結果

          此階段將設置各種拓撲優化參數,包括設計區域的尺寸限制和拔模方式、響應、約束、目標和卡片等。

          3.1 設計區域參數

          選定設計區域,設置其最小、最大尺寸:

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          圖4 尺寸限制

          其拔模方式為單向拔模,方向為起筋方向:

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          圖5 拔模設置

          3.2 響應、約束與目標

          本例采用最大剛度法,約束為體積百分比。因此響應為compliance 和volumefrac。

          約束設置如下:

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          圖6 約束設置

          同理,設置好目標為剛度最大,即柔度最小。

          3.3 優化結果

          使用Optistruct 求解,觀察結果,反復調整各參數,多次拓撲優化后,其結果如下:

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          圖7 拓撲結果

          4 剛度對比及強度校核

          參考拓撲結果,重置加強筋,生成新3D 數模,與原版本進行對比分析,驗證其性能。

          4.1 新舊方案有限元模型搭建

          將新舊3D 數模重新建立有限元模型,并對比分析:

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          圖8 有限元模型對比

          4.2 剛度對比

          側向剛度提升15.7%:

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          圖9 側向剛度對比

          垂向剛度略有提升:

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          圖10 垂向剛度對比

          切向剛度大幅提升92%:

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          圖11 切向剛度對比

          4.3 橫向強度校核

          橫向強度滿足規范要求:

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          圖12 橫向最大位移及塑性應變

          5 結論

          將計算結果匯總如下:

          表4 剛度對比結果

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          表5 橫向強度校核

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          可見,拓撲優化后,新結構不僅減重0.2Kg,且剛度有明顯提升,在要求的強度方面也滿足規范。新結構,起筋高度7mm,筋寬3mm,布置簡潔,排列規整,工藝性良好。故認為該拓撲優化結果成效明顯,方案可行。

           

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