基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计

1、基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计论文导读:：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无视。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

2、环境中对该挡泥板进行了有限元建模和模态分析，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 模态分析根本理论模态分析是动力学分析的根底，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：由于弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐

3、振动的叠加，因此可设式(1)的解为:式中,实数,为简谐运动的频率;任意常数。将式将它展开可得到关于的n 次代数式: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

4、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;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，

5、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局部，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，从而导致起迭代前的固有频率比原始模型要高，但是经过拓扑优化后，图4中的密度云图可以指导

6、在原始模型中的那些部位布置加强筋，从而在挡泥板重量不增加很多的情况下，提高其第一阶固有频率。2.2 拓扑优化后模型的重建与模态分析优化后的最优拓扑结构只考虑到结构的刚度，结构的设计应该还需要满足制造工艺、装配关系等设计要求论文开题报告。根据优化结果以及实际制造经验抽象成的布置加强筋后的挡泥板实体模型，如图6所示，图中黄色结构为所布置的加强筋。新的挡泥板结构中，未布置加强筋的局部厚度仍为0.3mm，而加强筋的厚度那么为1mm。图6 拓扑优化后重建的挡泥板模型在HyperMesh中对新建的挡泥板模型进行网格划分，设置好各项参数机械论文，进行模态分析，得到前6阶模态频率如表2所示,其模态振型依次如图

7、7所示。表2 挡泥板模型重建后前6阶固有频率 阶次 固有频率(Hz) 1 84.9 2 115.1 3 119.1 4 143.2 5 163.2 6 196.5 图7 挡泥板模型重建后前6阶模态振型3优化前后各项参数比照表3 挡泥板优化前后各项参数比照 第1阶固有频率(Hz) 第一阶模态振型 挡泥板质量(Kg) 优化前 43.6 在XOY平面内绕OZ轴弯曲 0.076 优化后 84.9 在XOY平面内绕OZ轴弯曲 0.098 4结论通过HyperMesh对挡泥板的模态分析，得到了其固有频率特性，发现其第一阶固有频率低于要求的50Hz，刚度不够，这是导致故障的直接原因，必须对其进行优化。在Op

8、tiStruct中运用变密度法拓扑优化设计方法，对该挡泥板的中间局部进行优化，为挡泥板的最优加强筋布置设计提供参考。然后依据拓扑优化后的结果,对初始设计进行改良。对新的设计模型进行模态分析，结果说明刚度到达设计要求，表达出了拓扑优化方法为设计提供了科学的指导，在汽车结构初始设计过程中具有重要的理论意义和实际的应用价值，这一方法将在工程中得到更加广泛的应用。参考文献：【2】V.Boltyanski. Application of topology in optimization theory. Topology andits Applications ，2005,76: 617628.【3】高云凯.汽车车身结构分析. 北京：北京理工大学出版社，2006.【5】刘庆，侯献军.基于Hypermesh