白車身結構分析與優化設計的案例
直播課程 | 白車身零件設計中的成本分析和優化
5/講師簡介
曹力豐
Hexagon | MSC Software FTI中國區市場拓展經理，資深沖壓工藝工程師，具有17年的沖壓工藝設計和仿真分析經驗，其中有近十年的主機廠沖壓同步工程師經歷，熟悉白車身零件設計開發及其成本構成。
設計仿真 | 直播預告-白車身鈑金零件設計及成本優化
減少原材料浪費降低材料成本，減少設計更改縮短研發周期等，這些降本增效的行為已成為當前工作中的重中之重。
海克斯康工業軟件FTI-FormingSuite作為沖壓行業成本管理優化、早期成形性分析及工藝分析智能解決方案的先行者，具有成熟完善的軟件系統，基于同步工程和DFM的科學方法，建立了一套貫穿零件設計至工藝規劃全過程的鈑金/沖壓件成型性分析評估和材料利用率優化的標準化軟件分析平臺，為全球客戶帶來領先的鈑金件產品設計和成本優化解決方案。
本次直播，將針對鈑金零件影響成本因素、設計源頭優化、材料成本優化、沖壓工藝設計和模具成本計算等方面展開詳細講解，歡迎預約報名！
12月14日 14:00
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直播內容聚焦
?? 鈑金零件影響成本的關鍵因素
?? 設計可制造性分析
?? 鈑金零件材料成本優化
?? 沖壓工藝設計和模具成本計算
?? 批量計算系統
在早期研發設計階段的決策能夠決定70%的產品成本
曹力豐
海克斯康工業軟件技術專家
具有豐富的沖壓分析經驗，熟悉白車身設計開發及成本構成，已完成多個項目的可行性優化分析及降本工作，帶領團隊在多個大型主機廠成功運行RSES解決方案。
展開 白車身焊點優化設計（原創工程實例）
1 工程背景
白車身一般有4000-6000個焊點，如何合理地設計焊點的數量及位置，對降低產品成本，提高結構的綜合性能具有重要的意義。近幾年，某些主機廠利用拓撲優化的方法對焊點布局的優化進行了很多研究，并在新產品開發中取得明顯的效果。
2 案例介紹
某款白車身在設計中后期，設計工程師依據結構及工藝經驗，完成焊點布置的設計。到項目的該階段，白車身剛度、模態、安全性能基本滿足設計要求，但項目部要求進一步優化產品成本構成。于是虛擬試驗部將前期對焊點優化的研究技術應用到該車型的設計中。設計部依據仿真優化的結果，將焊點數量由5630降到5248，減少382個焊點，綜合節省成本約40元。焊點優化效果如下圖，其中藍色焊點代表可去除點：
3 模型設置
白車身焊點拓撲優化過程，包括變量定義，約束條件、優化目標等關鍵步驟。
（1）優化分析工況：
①扭轉工況：約束后減震器安裝點全部自由度，前減震器安裝點連線中點Z向平動自由度；前減震器安裝點施加3000N.M。
②彎曲工況：用RBE2抓取各減震器的安裝點，約束各主點的相應自由度；在左右門檻梁對應與B柱中心的位置，用RBE2抓取3*3或2*4個單元格。用RBE2抓取這兩個RBE2的主節點，形成剛連，在最后生成的主節點上施加Z向的-3000N的力。
③模態工況：新建EIGRL卡片，提取10-80Hz范圍內的無約束自然模態頻率。
（2）變量定義
在定義焊點變量前，首先對焊點分區，把不同區域的焊點進行分區管理，同區域的焊點具有相同的顏色，分區效果如圖所示，不同區域的焊點在優化過程中區別控制。
（3）優化約束
彎曲剛度＞設計值；扭轉剛度＞設計值；模態頻率＞設計值。
（4）優化目標：焊點數量最少。
展開 基于 Inspire Extrude 的白車身門檻梁用鋁型材擠壓仿真模擬與模具結構優化
車身鋁型材多以中大型、復雜的分流模寬展模為主，前期的產品截面和擠壓模具結構設計將直接影響擠出型材模具的壽命、型材表面質量和尺寸精度。傳統的鋁擠壓模具以工程師經驗為主導進行設計，并未經仿真分析而直接進行開模，后期在生產線上進行多輪試錯調試，其中不可避免地耗費大量的調試時間和成本[2,3]。
近些年在鋁擠壓行業和汽車研發單位開始逐漸引入擠壓仿真分析軟件對型材產品進行出口流速、應力應變情況及擠出產品形狀和模具壽命進行模擬，從而使產品、工藝及模具設計在最優狀態下進行制作生產，縮短開發周期、降低開發成本和提升產品質量[4]。
本文將以廣汽傳祺某電動車型的中大型復雜多腔體截面門檻梁型材為例， 采用基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法[5-7]的 Inspire Extrude 擠壓仿真分析軟件，對初始模具結構進行擠出過程中分流體和型材出口流速、截面各區域相對出口速度差異百分比、型材擠出變形位移云圖進行仿真模擬和分析。初步分析結果顯示型材擠出流速嚴重不均衡，模具和工藝若不優化，將使后期的調試周期和成本大幅增加。為了在產品開發階段將模具結構調整至最優狀態，本文中基于鋁擠壓熱狀態下的金屬流動分配的最小阻力定律原則，通過分流孔優化、供流槽體大小及工作帶長度等的優化，再次導入優化后的模具進行仿真分析，直至獲取型材截面各區域出口流速趨于均勻的新的優化模具結構。隨后，優化后的模具結構進行生產驗證，結果表明仿真分析結果與實際生產匹配度基本一致，獲得了良好的擠出產品，大大縮短了產品開發周期，降低了模具調試開發成本。
2 產品、模具設計與有限元模型的建立
2.1 產品及其初步模具結構設計
圖 1 所示為某電動車型用門檻梁鋁型材產品信息。圖 1(a)為型材三維視圖，圖 1(b)為型材截面尺寸。
展開 
基于靈敏度分析的白車身尺寸優化
模態分析
本次分析的模態為自由模態，表1為 前八階的固有模態頻率及振型
階次
固有頻率（Hz）
振型
1
35.82
前段局部扭轉
2
37.66
車頂蓋局部振型
3
42.25
一階彎曲振型
4
44.43
一階扭轉振型
5
44.84
尾部局部振型
6
47.44
后地板局部振型
圖17為前六階振型的分析結果云圖。
圖17 前六階模態振型
3.靈敏度分析
優化設計是指尋找一種既可以滿足設計者要求，又能夠降低成本，提高效率的方案。本案例采用以零件板厚為優化設計變量是在不改變原來結構形狀以及零部件狀進的基礎上進行優化較為理想的方案。整車白車身包括幾百個鋼板沖壓件，影響白車身結構的靜、動態性能的變量有很多且十分復雜，直接選取比較困難，因此要對白車身結構進行靈敏度分析，為后面優化設計時選取優化變量提供參考數據。進行靈敏度分析，具體過程如圖18所示：
圖18 靈敏度求解設置步驟
雖然靈敏度分析可以為將來的優化設計縮小變量的選擇范圍，但是本文所分析的白車身仍然有三百多個零部件，如果全部進行靈敏度分析，計算量仍然很大，所以需要對零部件進行相應的篩選。由于本文分析靈敏度以及進行優化均以板件的厚度為變量，那就需要綜合考慮板厚對白車身各項性能以及生產工藝和成本的影響。
展開 白車身結構強度分析報告
1.分析目的
白車身結構的靜強度不足則會引起構件在使用過程中出現失效。本報告采用有限元方法對Q11白車身分別進行了滿載、 1g制動、0.8g轉彎、右前輪抬高150mm、左后輪抬高150mm、右前輪左后輪同時抬高150mm,6種工況的強度分析，觀察整車受力狀況，找出高應力區，考察其零部件的強度是否滿足要求，定性地評價Q11白車身的結構設計，并提出相應建議。
2.使用軟件說明
本次分析采用HyperMesh作前處理，Altair optistruct求解。HyperMesh是世界領先的、功能強大的CAE應用軟件包，也是一個創新、開放的企業級CAE平臺，它集成了設計與分析所需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網格劃分功能；Altair Optistruct是一個綜和隱式和顯示求解器與一體的大規模有限元計算軟件，幾乎所有的線性和非線性問題都可以通過其進行求解。通過Altair Optistruct可以進行任何形狀、尺寸、拓撲結構的優化，采用固定的內存分配技術，具有很高的計算精度和效率。
3.模型建立
對車身設計部門提供的Q11白車身CAD模型進行有限單元離散，CAD模型以及有限元模型如圖3.1所示。白車身所有零部件均采用板殼單元進行離散，并盡量采用四邊形板殼單元模擬，少量三角形單元以滿足高質量網格的過渡需要，網格描述見表3.1。
展開 基于場力等效的耐撞性能白車身拓撲優化分析
1 課題背景
基于仿真驅動設計的產品開發理念，進行某款白車身的前期方案設計。因為白車身的性能要求包括耐撞性、耐久性及NVH性能，所以在概念設計階段，拓撲優化模型也應該考慮碰撞工況、彎曲剛度和模態工況。對于白車身多工況優化問題，可以利用多工況優化方法或多模型優化方法（MMO）。但是在實際工程應用過程中，對于剛度及模態線性分析工況，可以獲得比較理想拓撲結果，而對于高度非線性的碰撞工況，目前公開文獻中采用的近似靜態載荷法獲得的拓撲路徑解讀性較差。
因此，如何用有效的靜態工況近似代替碰撞工況，是白車身多工況拓撲優化的關鍵問題。
本課題提出一種利用場力代替碰撞力的優化方法。通過與其它兩種方法對比發現，該方法不但保留了線性優化的高效性，而且拓撲結果路徑清晰，材料分布合理，容易解讀。通過在實際項目中應用及后期碰撞性能分析，驗證該方法在概念設計階段可以等效替代碰撞工況。
最終結合多工況拓撲結果，利用solidthinking解讀出車身骨架的概念方案，如下圖。
2 問題描述
基于造型、總布置及base模型，創建白車身的拓撲優化空間，如下圖：
3 優化模型
變量單元：以六面體為主的體單元；數量115萬；
邊界條件：約束前保險杠主點123；
載荷：施加全局-X向重力場；
約束：體積分數＜0.3；
目標：全局應變能最小。
4 正碰拓撲結果
基于正碰工況下的等效場力法，經優化迭代后拓撲結果如下圖：
5 多工況拓撲優化
工況：靜態載荷約束法（彎曲剛度、扭轉剛度、頂壓）；等效場力法（正碰、偏置碰、側碰、后碰）；
約束：體積分數＜0.3；
目標：利用折中規劃法，將全局應變能最小作為目標。
展開 結構優化設計分析系列（四）：模態分析優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 客車車身結構優化及車內噪聲分析
一方面運用有限元、人工神經網絡及遺傳算法的有效結合對客車車身的結構優化分析進行了有益的嘗試，對汽車的優化技術有較強的理論與實踐意義。另一方面，為客車車內噪聲尤其是低頻噪聲控制尋求新韻途徑，有較強的工｛曼實用意義。對ＣＡＥ技術在汽車領域的運用有一定的參考價值。
客車車身結構優化及車內噪聲分析.pdf
結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
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基于NX Nastran的顯微鏡部件結構靜力分析及優化設計
采用有限元分析法研究在靜力情況下支架部件的受力情況，找到結構設計優化點。通過NX Nastran仿真對顯微鏡支架結構建模進行驗證，對顯微鏡支架部件結構強度和剛度進行校核，判斷結構設計的可靠性。依據仿真結果對顯微鏡支架的優化表明，優化后最大綜合應力減小3.403，最大應變位移減小0.078。在滿足結構穩定性的前提下，優化后支架質量減少8.5%，滿足輕量化設計需求。
關鍵詞：顯微鏡;靜力學分析;Nastran;優化設計;
0 引言
由于顯微鏡機構的復雜性，用傳統方法和手段設計和分析容易導致設計不夠準確。因此顯微鏡支架部件的結構設計尤為重要。目前顯微鏡支架部件可通過簡化公式、試驗以及有限元分析進行評估和優化設計。顯微鏡產品設計除了利用三維軟件建立模型外，有限元分析屬于最關鍵的環節。新產品設計中，應力、應變、力矩、變形等的計算需要應用有限元方法來計算，加上安全裕度后可以在理論上驗證設計的可靠性。
本文首先應用NX 12.0軟件中的Nastran模塊[1]對顯微鏡支架部件進行有限元分析，得出支架的應力及位移云圖，觀察整個支架在受力情況下的變形量，分析材料的選取和結構設計的可行性，驗證結構穩定性。采用Nastran模塊對支架部件進行有限元分析后再進行優化設計，免除了零件或樣機的制作，提前修正產品設計。對支架壓鑄件壁厚和結構進行分析，通過增加支架提手、修改支架壁厚等方式建立優化后的模型，并進行對比，以優化后的結構滿足穩定性、強度和剛度、以及減輕質量的需求。
1 顯微鏡支架三維參數模型的建立
顯微鏡支架用于支撐顯微鏡的各個部件，其加工精度和使用過程的變形量有很高要求。產品設計時需要建立三維模型，對核心部件支架進行有限元分析。
本文首先對顯微鏡支架部件設計、材料的選取、有限元分析及優化設計做詳細的說明。
展開 《隨機結構系統可靠性分析與優化設計》
內容提要
本書以現代可靠性理論為基礎，系統闡述了隨機結構系統（如大型桁架、框架、板架、梁板及薄壁結構等）的可靠性分析及基于可靠性的優化設計的基本理論和方法。給出的理論公式側重于工程上的應用，盡量略繁瑣的推導，并有數值例題及專題研究加以說明。
本書可供從事可靠性與優化設計的研究人員，從事工程結構分析與設計的工程技術人員，以及大專院校相關專業的教師、研究生和本科生使用。
專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part1.rar
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part2.rar
《OptiStruct分析及多學科結構優化設計》新鮮出爐
2017年，最開始本教程的目的是將筆記本上記錄的筆記形成電子文檔，僅包含了部分OptiStruct的優化內容。OptiStruct是非常實用的優化工具，雖然不及某些軟件炫酷，但是貴在實用。
2020年，萌生了匯總優化設計內容的想法，逐步增加了HyperStudy、Inspire、Isight、HyperMorph的內容，注重方法，而不是適用于每種場景。也就是說利用文中的方式，去嘗試解決其他問題。對于優化軟件，建議使用最新的版本，增加很多實用的功能，例如HyperStudy 2019以后增加的模態追蹤。對于多學科優化，最主要的是如何搭建流程，提取分析結果作為響應。
OptiStruct是個很好的工具，優化、分析均可，因此在2021年，決定擴充OptiStruct的分析內容，從線性分析、非線性分析、NVH分析到疲勞分析，只有掌握了分析，才能有后續的優化。
在常規的強度分析中，OptiStruct可以代替ABAQUS，雖然結果有差異，但是可以接受。
目前更新的版本具體內容見目錄，此處不再贅述，對于想拓展分析和優化能力的人來說是不二之選。注：無法開發票，介意者就不要考慮了；因為無法開發票要求便宜點的，也不要考慮了；我是學生要求便宜點的，也不要考慮了，我被坑了幾次了。畢竟積累這些知識是需要大量的時間的，所以也請尊重知識付費。
紙質版定價：￥500
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