优化设计大赛汽车全塑前端框架二次拓扑优化研究

Posted 2021-04-05 技术邻CAE学院

本文为技术邻·Altair优化设计大赛投稿作品，作者为技术邻用户：孙正峰，如果喜欢务必点击文末 阅读原文 支持作者，为他投票哦！

1 拓扑优化数学模型的建立

连续体结构拓扑优化数学模型如公式（1）所示：

2 拓扑优化有限元模型的建立

2.1 网格划分

为了反映拓扑优化后前端框架加强筋的宽度以及料厚的分布情况，设计前端框架拓扑优化分析的单元类型为四面体网格，单元尺寸大小为1.5mm，其余金属部件（除拉铆螺母、嵌件等部件）抽取中面进行四边形网格划分，单元尺寸为4.0mm。

2.2 材料与属性

计算中所使用的材料参数见表1，长度单位为：mm。全塑前端框架真实应力-应变关系曲线如图1所示，考虑玻纤取向的影响，因此，其弹性模量选择玻纤45°方向。

2.3 边界条件及载荷工况

约束：与车身环境件安装孔连接处采用固定约束，金属部件之间以及前防撞梁的连接采用刚性连接以及焊接处理。

载荷：常温，锁扣刚度，锁扣受力，F_+x=1000N，F_+z=1000N；锁扣强度，锁扣受力，F_+z=3500N；高温80℃，散热器安装点刚度，F_+x=600N，F_-z=600N。

控制条件：各个工况下全塑前端框架的位移变形和断裂强度，一阶固有频率。

约束条件：锁扣刚度，全塑前端框架X向最大变形量≤7mm，Z向最大变形量≤2mm，最大应力≤75×0.8=60MPa；一阶固有频率≥35Hz；高温下，散热器安装点最大变形量≤1mm。

目标：设计区域总体积最小。

2.4 拓扑优化有限元模型

全塑前端框架拓扑优化模型分为设计区与非设计区，设计区即为拓扑优化区，非设计区为安装孔位置、空滤进口位置、所有金属部件。其拓扑优化模型如图2所示：

 

3 分析结果

3.1 第一次拓扑优化分析结果

通过拓扑优化分析，得到全塑前端框架密度分布云图，将密度结果分布云图以STL格式导出，再通过三维软件进行3D数据设计，如图3所示：

锁扣刚度工况，全塑前端框架拓扑优化前后变形分布云图如图4所示：

由图3、图4可以看出：全塑前端框架密度分布图为“人”字造型，并且与两侧横梁有连接，拓扑优化后结果满足性能指标，第一次拓扑优化的3D数据，全塑前端框架重量为4.517Kg。

3.2 第二次拓扑优化分析结果

考虑到散热器进排气系统的影响，“人”字造型结构截面过大，因此，需进一步拓扑优化，一方面是为了最大程度的实现全塑前端框架的轻量化，另一方面是为了满足散热器的排气量。第二次拓扑优化是在第一次3D数据上直接进行的，控制条件、约束条件及目标方程与第一次拓扑优化相同。拓扑优化密度分布云图及3D数据结果如图5所示：

拓扑优化后，锁扣刚度、锁扣强度、一阶模态如图6所示：

    由图5、图6可以看出：全塑前端框架密度分布图同样为“人”字造型，并且与两侧横梁有连接，拓扑优化后结果满足性能指标，第二次拓扑优化的3D数据，全塑前端框架重量为3.658Kg，同比第一次3D数据减轻19%，且满足散热器进排气量要求。

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