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基于组合优化策略的发动机罩轻量化设计

2018/1/28    来源:互联网    作者:门玉琢  方立桥  赖宇阳      
关键字:发动机罩    参数化优化  尺寸优化  轻量化设计  
本文通过参数化优化方法对发动机罩各零件板厚和结构形状进行优化和通过尺寸优化推荐可去料位置,结合两者的优化结果,最终确定发动机罩的轻量化方案减重1.06kg,相对初始方案下降8.4%。

0 引言

    在车身轻量化设计中,取车门作为轻量化目标的较多,发动机罩和行李箱盖结构和功能特点相似,较车门简单,发动机罩的尺寸更大,可进行的轻量化程度更大。发动机罩作为车身的主要覆盖件之一,它的力学特性对整车性能有着重要影响,它直接影响车辆前部的安全性能。因此,在发动机罩结构设计阶段就应充分考虑发动机罩的强度、刚度、模态等综合力学性能。

    目前的发动机罩轻量化设计中较常用的采用材料替换和拓扑优化来达到减重的目的。K.J.Kim等研究了铝/塑/铝夹层复合材料在发动机罩板上的应用,在保证与钢制发动机罩刚度相同的前提下,可实现65%的轻量化效果;上海交通大学朱平教授等人通过对某款多功能乘用车的发动机罩内外板进行材料替换和结构改进设计,基于原始钢结构空间布局对其进行了全新的轻量化设计;同济大学王宏雁教授、上海泛亚技术中心高卫民等人对四种不同材料的发动机罩结构进行了拓扑优化和结构改进,在考虑其综合性能的同时,验证了所设计复合材料发动机罩的轻量化功效。

    本文在已有发动机罩设计方案的基础上对其内板结构形状和零件板厚进行参数化优化设计,初步获得轻量化方案。再通过尺寸优化获得可去料位置,综合考虑参数化优化方案和尺寸优化方案,最终确定发动机罩的轻量化方案减重1.06kg,下降8.4%。

1 轻量化技术路线

    在基于已有发动机罩设计方案的基础上进行轻量化设计存在一定的限制,如外板形状不可调整,内板结构无法大幅调整等。为尽可能的挖掘发动机罩的轻量化空间,本文引入了板厚、结构形状参数化优化和尺寸去料优化的组合优化策略,其过程如图1所示。发动机罩的轻量化过程分为参数化优化和尺寸优化两个方向,参数化优化利用PIAnO优化平台和Sculptor网格变形工具实现板厚和结构形状的参数化,尺寸优化利用T0SCA实现零件的厚度分布,推荐去料的可能性。

    1)参数化优化

    a)参数化模型:包括建立Sculptor结构变形参数化模型和有限元零件厚度参数化模型;

    b)确定设计变量:零件厚度、结构形状;

    c)确定约束条件:包括1阶模态、局部安装点刚度、铰链刚度、横向刚度、前角刚度、垂向刚度、扭转刚度等;

    d)自动化流程集成:利用PIAnO优化平台集成Sculptor参数化变形模型和Nastran、Abaqus仿真模型,实现多方案的自动化并行计算;

    e)试验设计:采用正交数组的方法获得板厚与结构形状对性能的影响,同时通过增光拉丁方试验设计方法对样本点进行插值填充,作为构建近似模型的样本库;

    f)近似模型:利用PIAnO自动构建近似模型技术快速获得高精度的近似模型;

    g)优化设计:基于近似模型对板厚、结构形状进行优化,获得近似优化方案,其次通过敏度分析结果进行方案调整,最终获得满足设计要求的参数化优化方案。

    2)尺寸优化

    a)对各零件每个单元的厚度作为设计变量,以参数化优化中所考虑的性能指标作为约束条件进行轻量化计算;

    b)对尺寸优化进行后处理获得各零件可去材料的区域。

    3)结合参数化优化方案和尺寸优化的去材料建议,最终确定发动机罩的轻量化方案。

2 初始方案描述

    发动机罩的初始设计方案质量为12.62kg,各项性能指标及其设计要求如表1所示,其中部分性能未能达到设计要求,在轻量化设计中还需要对不满足设计要求的性能进行改善,同时通过图1所示技术路线实现轻量化设计的目的。

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    图1 发动机罩轻量化技术路线

    表1 初始方案性能指标

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3 参数化优化

3.1 优化问题定义

    本文所做优化以轻量化发动机罩为目的,故将通过优化零件厚度和内板结构形状为设计变量,在满足性能设计要求(表1所示性能设计要求)的约束条件下最小化发动机罩质量作为优化目标。

责任编辑:张纯子
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