祁宙

1. 前言

汽車電動踏板是一款新型車載電動產品，主要用于大型SUV、MPV、房車、校車、中巴等底盤較高的車型，通過加裝電動踏板，降低使用者上下車的踩踏高度，尤其方便老年人、兒童、女士上下車，是一種人性化的配置。目前國內有很多主機廠在推動電動踏板前裝，預計在2019年該產品會大量上市，電動踏板配置會成為SUV、MPV車型競爭的一個亮點。

電動踏板產品主要由三大部分構成：電機、運動機構、面板。其中面板主要用來承載乘車人重量，面板剛度弱會導致過大的下沉量，影響用戶體驗。另外，面板體積大，重量占到整個產品重量的30%~40%，對產品重量和材料成本有至關重要的影響。因此必須對面板剛強度進行精細化設計，在滿足剛度要求情況下，重量達到最輕，經濟效益最佳。

                                                         圖1 電動踏板產品圖

2. 薄壁擠出件

電動踏板的面板材質為鋁合金，加工工藝為擠出成型：將鋁合金加熱到一定溫度通過模具推擠，得到特定形狀的薄壁件產品。該成型工藝的特點是產品沿垂直斷面方向成型，沿成型方向壁厚一致，因此斷面優化設計是產品開發的關鍵。

薄壁擠出件截面優化存在如下兩個問題：1）最優解問題，依據經驗設計，斷面設計的可行解非常多，需要在眾多可行解中找出最優解；2）薄壁件厚度分配問題，按需分配材料厚度，進行斷面尺寸非等厚設計，充分發揮材料作用。

本文旨在解決薄壁殼體結構的設計問題：搜索最優截面、非等厚截面設計，達到剛質比最優。該方法同樣可適用于汽車固定踏板、行李架等薄壁擠出件。

3. 擠出件結構優化

針對某主機廠已量產產品，對面板進行優化設計，提升產品剛度。

3.1 設計空間

依據功能性需求，將零件劃分為可設計區域和非設計區域，見下圖

                                                  圖2 設計空間示意圖

3.2 工況定義

考慮到面板踩踏性能，設置8個加載工況，踩踏重量150kg，評估踏板剛度。

                                                   圖3 工況定義

3.3 截面拓撲優化

設計變量：采用變密度法，將設計域單元屬性作為設計變量；

優化目標：將八個工況的最小加權柔度作為優化目標，設置不同加權系數；

約束條件：體積分數20%；

                                                        圖4 拓撲優化概念圖

通過拓撲優化得到了擠出截面的最優概念圖，可以依據此概念圖布置加強筋，重構三維模型。但是拓撲優化后的模型，并不包含完整的壁厚信息，因此還需進一步優化截面各區域壁厚。

3.4 厚度自由尺寸優化

由于擠出工藝可以允許不均勻壁厚，因此可以將薄壁件劃分為不同區域，通過設定不同區域的厚度來實現最佳剛質比，但問題是如何將整個部件合理劃分區域？借助自由尺寸優化方法，可以得到合理的壁厚分區，用于下一步尺寸優化。

自由尺寸優化將所有單元的厚度作為設計變量，通過優化，可以得到各區域的厚度值，為下一步設計提供參考。

設計變量：設計域的面單元屬性；

優化目標：模型質量最??；

約束條件：外邊緣踩踏工況的最大變形量；

通過自由尺寸優化計算，導入優化結果，得到如下圖所示的厚度分區，符合力學原理，左端根部約束區域厚度較厚，左端懸臂支撐區域厚度也比較厚。

                                                     圖5 自由尺寸優化結果

3.5 厚度尺寸優化

考慮實際擠出工藝，將整個產品離散為如下圖所示的25塊均勻的區域，以這25塊區域的壁厚作為尺寸變量，通過尺寸優化方法求解最佳的壁厚分布。

                                                                  圖6 壁厚離散化

設計變量：25塊區域的厚度，25個設計變量；

優化目標：模型質量最??；

約束條件：外邊緣踩踏工況的最大變形量；

通過尺寸優化計算，導入優化結果，得到如下圖所示的厚度分區，與自由尺寸優化結果類似，從側面映證了優化結果的合理性。

                                                      圖7 尺寸優化結果

3.6 優化結果對比

依據尺寸優化的結果重構三維模型，如下圖所示，結構差異較大，分別對這兩個結構進行剛度計算。

                                                                 圖8 優化前后結構對比

                                                        圖9 優化前后下沉量對比

 優化前后參數對比 表1

方案對比	下沉量 mm	斷面面積 mm^2	質量    kg	剛質比 1000/(mm*kg)
優化前	0.95	1939.4	3.4	309.6
優化后	0.45	1869.2	3.28	677.5

 經過結構優化后的方案，剛度提升了210%，質量減少了3.5%，優化后的方案綜合性能提升明顯。

4. 總結與建議

本案例通過綜合運用拓撲優化、自由尺寸優化、尺寸優化技術展示了擠出薄壁件的結構優化方法，收到了良好的效果。一般擠出薄壁件的結構優化流程如下：

1）在滿足工藝以及功能性要求下，將零件分為可設計域和非設計域；

2）應用拓撲優化方法，求解出最優截面形式；

3）依據拓撲優化結果，重構三維模型，應用自由尺寸優化方法，獲取零件最佳厚度分布區域；

4）依據自由尺寸優化結果，將零件離散為一些列均勻的區域，將這一些列均勻區域的厚度作為設計變量進行尺寸優化，從而獲取截面上各部位精確的厚度；

5）依據尺寸優化優化結果，工藝檢查，重構三維模型，校核優化后模型的剛強度。

結構優化應用到具體產品上，會有諸多問題需要考慮。首先，不同的使用工況會帶來不同的拓撲結構，同時還必須考慮工況的權重，權重最高的工況決定了拓撲結構。優化的本質是一種平衡與折中，追求的是綜合性能最優而不是局部最優。

其次，產品尤其是汽車產品都有特殊性功能及性能要求，這就要求CAE工程師必須充分了解產品的加工工藝，是擠出、壓鑄、沖壓還是焊接？不同工藝會帶來不同的制造約束，就需要因地制宜綜合運用多種優化手段計算最優解。

再次，拓撲、形貌優化出來的結果解讀，需要豐富的產品經驗和良好的力學基礎來判斷。往往一次優化計算得不到好的結果，就需要反復多次運算，逐步抽絲剝繭不斷逼近問題的本質。優化不是設計的終點而是設計的起點，從良好的概念出發獲取滿足工藝環境和使用場景的優質產品。

 

建議：

CAE、CAD軟件的易用性越來越高，最終會將CAE工程師從繁雜的前處理中解放出來，CAE工程師應當將主要精力聚焦在產品性能上，其實對CAE工程師提出了更高的要求，CAE工程師必須充分理解產品應用場景和使用工況，以及加工工藝。CAE工程師掌握嫻熟的CAD技能也能大幅提高結構優化的效率和質量，可以實現CAE驅動CAD。另外一方面，會有越來越多的CAD工程師掌握CAE技能，并應用于產品開發中。隨著技術的進步，CAE和CAD必將融合，最終只有產品工程師，對產品性能負責，不論是CAD還是CAE都是工具和手段，最終為產品性能服務，為產品的用戶體驗和可靠性負責。