摘要: 本文提出了一種在OptiStruct軟件中對金屬燃油箱進行形貌優(yōu)化，進而獲得燃油箱加強筋布置的新方法。分析結(jié)果表明對采用該方法設計的燃油箱模態(tài)有顯著提高。該方法為金屬燃油箱加強筋的布置提供了快捷、有效的途徑。采用該方法通過軟件的自動優(yōu)化計算獲得燃油箱加強筋的布置最佳方案，

關鍵詞: 燃油箱，設計，形貌優(yōu)化，OptiStruct

TopographyOptimization Design Study on Metal  FuelTanker

【Abstract】Thispaper gives a new method to layout metal fuel tanker enforcement rib bytopography optimizing in OptiStruct software. By the method, we can getenforcement rib automatically by software optimizing. 1st mode offuel tanker is highly improved according to the analysis results. The methodgives a fast and effect way to layout fuel tanker enforcement rib.

Key words: Metal fuel tanker, Deisgn, Topographyoptimization, OptiStruct

前言

對于薄壁鈑金支架零件，在鈑金型材上沖壓加強筋，在材料成本不變的前提下是提高支架結(jié)構強度的主要手段，因此確定加強筋布置方案是支架設計開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)之一。目前，有限元技術在各種汽車支架的優(yōu)化設計中已經(jīng)得到廣泛應用[1]，但由于零件具體形狀、安裝位置的不同，支架上加強筋的布置也各不相同。根據(jù)有限元分析結(jié)果對加強筋布置方案進行改進大多只能憑借設計者的經(jīng)驗，得到的往往只是可行性設計而不是最優(yōu)設計，如何借助先進的設計理念及分析工具獲取支架加強筋的最優(yōu)布局是設計者們正需要解決的問題。

形貌優(yōu)化是一種針對薄壁板形結(jié)構中尋找最優(yōu)的筋分布的概念設計方法，該方法同樣適合應用于鈑金型材沖壓件的設計。目前，借助商業(yè)有限元軟件的形貌優(yōu)化設計已經(jīng)在發(fā)動機油底殼的改進設計中得到了初步應用[2][3]，但在燃油箱殼體設計應用及加強筋參數(shù)設置等方面的研究還少見報道[4]。本文以形貌優(yōu)化在某新車型金屬燃油箱下殼體設計中的應用進行研究，尋找由形貌優(yōu)化到燃油箱殼體加強筋布置最優(yōu)的解決方案。

1 原始概念設計有限元模型建立及模態(tài)分析

1.1 燃油箱幾何模型的導入、重構及修整  

將工程師提交的初版燃油箱的幾何模型導入HyperMesh中。由于燃油箱上下殼屬薄壁零件，導入的UG模型需要利用Geom面板(幾何面板)中的MidSurface功能對其進行中面的抽取。抽取的中面存在縫隙、重疊、錯位等缺陷，需要利用Geometry Cleanup(幾何清理)功能消除以合并自有邊，然后消除不必要的細節(jié)，這可以提高整個劃分網(wǎng)格的速度和質(zhì)量，減少計算誤差。

 1.2 燃油箱殼體幾何模型的網(wǎng)格劃分  幾何清理工作做完以后，就可以進行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分完后須進行單元質(zhì)量檢查，HyperMesh軟件可自動找出錯誤單元和質(zhì)量差的單元，這些單元在計算和優(yōu)化時會產(chǎn)生錯誤，使計算或程序不能繼續(xù)或得出錯誤結(jié)果。檢查的內(nèi)容包括：單元最小尺寸、單元最大長度、長寬比、四邊形最大角、四邊形最小角、三角形最大角、三角形最小角、對角線余角、雅可比和三角形占所有單元的百分比。選擇其中一項后，不合格的單元會以紅色顯示，質(zhì)量差的單元會以黃色顯示，質(zhì)量較好的單元則以透明顯示。HyperMesh對檢查出的有顏色的單元提供了強大的質(zhì)量修復功能，包括：placenode(移動節(jié)點)、swap ease(交換邊界)、node optimize(節(jié)點優(yōu)化)和element optimize(單元優(yōu)化)功能。

對完成的燃油箱有限元模型四個安裝點施以固定約束，輸入ST14材料的楊氏模量2.1GPa,泊松比0.3及質(zhì)量密度7.85g/cm3，得到初始概念設計數(shù)模的模態(tài)分析有限元模型見圖1.

       

                  

圖1 燃油箱原始概念有限元模型

1.3 初始模型燃油箱模態(tài)分析

利用圖1所示模型，求解得到燃油箱前五階模態(tài)，其中1階模態(tài)為58HZ,在郵箱下殼體中部（圖2）。由于汽車在行駛中，路面的激勵頻率一般低于50HZ,而國標GB18296規(guī)定的振動試驗頻率為30HZ，考慮到計算誤差及未考慮到油液質(zhì)量的影響，因此公司企標把燃油箱的一階模態(tài)定義為大于80HZ。從分析結(jié)構來看無法滿足要求，需要對下殼體的結(jié)構進行優(yōu)化。

圖2 燃油箱模態(tài)1階振型圖

2  對最初設計進行形貌優(yōu)化

為了獲得支架加強筋布置方案，使用Optistruct軟件對支架進行形貌優(yōu)化。在形貌優(yōu)化計算之前,先把原始數(shù)模上的加強筋去除，重新劃分網(wǎng)格，在計算前必須先設定優(yōu)化設計區(qū)域，即可以布置加強筋的區(qū)域。由于網(wǎng)格節(jié)點變形后起筋與未起筋區(qū)域之間的網(wǎng)格形狀變化較大，容易導致網(wǎng)格畸變。因此除了安裝位置、不需要起筋的位置外，對一些零件連續(xù)折彎或網(wǎng)格節(jié)點法向角度急劇變化的區(qū)域，為了避免在該區(qū)域的由于節(jié)點自動變形而產(chǎn)生質(zhì)量過差的網(wǎng)格導致計算不收斂的現(xiàn)象，將這些區(qū)域也設置成非優(yōu)化設計區(qū)域。最終確定的優(yōu)化設計區(qū)域如圖3藍色所示。

圖3 去除原始加強筋后的有限元分析模型圖

同時定義加強筋的基本參數(shù)。根據(jù)支架材料的成形特性確定加強筋的高度為10mm；另外需定義加強筋最小寬度，若定義一個較小的最小加強筋寬度，軟件迭代計算次數(shù)增加較多，而且寬度較小的加強筋對支架整體強度影響較小，為了減少計算時間根據(jù)支架整體尺寸定義加強筋的最小寬度為40mm。定義形貌優(yōu)化設計區(qū)域和加強筋基本參數(shù)后，再設定優(yōu)化目標——第一階固有頻率最大，就可以提交計算通過形貌優(yōu)化軟件獲取加強筋的最優(yōu)布置方案。經(jīng)過23輪迭代計算后該下殼體的形貌優(yōu)化分析結(jié)果如圖4所示，此時一階模態(tài)達到了90.5HZ，而原始去掉加強筋的模型一階模態(tài)僅為22HZ,可見存在巨大的優(yōu)化空間。

圖4 優(yōu)化結(jié)果

3根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果布置加強筋

根據(jù)形貌優(yōu)化的分析結(jié)果結(jié)合零件功能及工藝可行性，布置燃油箱殼體加強筋，最后設計完成的燃油箱下殼體模型如圖5所示。

圖5 最終設計模型

最后對完成設計的燃油箱進行模態(tài)分析，得到整個燃油箱總成的一階固有頻率為82.8Hz（見圖5），其一階模態(tài)出現(xiàn)在燃油箱上殼體中間部位，說明下殼體模態(tài)應該更高，其分析結(jié)果與形貌優(yōu)化分析結(jié)果匹配良好，與最初的設計方案相比，第一階固有頻率提高了42%，達到了設計要求。

圖6 最終模型的一階模態(tài)振型圖

4 總結(jié)

1) 對于薄壁鈑金件加強筋的設計，在加強筋最大高度確定的前提下，關鍵是找到加強筋對應設計目標（如結(jié)構強度、某階固有頻率等）的最佳起筋區(qū)域布置方案，只有這樣才能獲得滿足成本及設計要求的最佳結(jié)果。

2) 通過形貌優(yōu)化方法布置燃油箱殼體的加強筋，不但可以有效提高燃油箱的結(jié)構強度，而且可以優(yōu)化設計開發(fā)的流程，大幅縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。本文對基于形貌優(yōu)化方法對燃油箱殼體加強筋進行布局的研究為該方法在鈑金零件設計領域的應用起到了很好的指導作用。

參考文獻：

[1] 呂兆平等 基于有限元技術的發(fā)動機懸置支架拓撲優(yōu)化設計研究 汽車工程，2009（4）

[2]賈維新等，基于形貌優(yōu)化的低噪聲油底殼設計研究【J]浙江大學學報（工學版）2007,41（5）；770-773.

[3]舒歌群等，基于HYPERWORKS的柴油機油底殼有限元建模和結(jié)構優(yōu)化【J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2008（2）：25-27

[4]袁登木，龍海強. 燃油箱形貌優(yōu)化設計方法研究. Altair 2009 HyperWorks 技術大會論文集

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