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基于HyperWorks的车门外把手拓扑优化设计

发表时间:2013/6/28 张胜兰 徐潇寒 来源:Altair
本文基于HyperWorks的拓扑优化技术探讨了车门外把手轻量化的可行性。根据外拉式车门外把手的受力与约束情况,对某轻型载货车门外把手原始结构进行了静力分析,并建立了外把手的拓扑优化概念模型;在外把手拓扑优化结果的基础上,根据人机工程要求对车门外把手进行了二次设计;将二次设计后的车门外把手新结构与原始结构进行了对比分析,结果表明:新结构在维持原有强度、刚度基本不变的情况下,质量较原始结构减轻了28.79%,轻量化效果明显。

0 引言

    拓扑优化是近几年结构优化研究的热点,其基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。拓扑优化设计能够使结构在满足有关约束条件下(如强度、刚度和稳定性等),使结构的某种性能指标(如刚度最大、质量最小)达到最优。通过拓扑优化分析,设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征,并有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。将拓扑优化技术应用在汽车零部件结构优化和轻量化设计、车身结构设计中有着十分重要的现实意义。

    汽车车门外把手虽然不影响汽车在结构上的整体性能,也不影响整车的动力性和经济性,但它是每位用户乘坐车时最先接触到的部件,属于外观件也属于功能件,因此对其外观质量和强度、开启舒适度提出较高要求。在维持或提高其性能的基础上,考虑其人机工程的轻量化设计思路在车门外把手的优化设计中有十分重要的研究意义。本文基于HyperWorks的拓扑优化技术探讨了某货车车门外把手轻量化设计的可行性。

1 车门外把手静力分析

    本文研究对象是某微型货车车门外把手,所用材料为锌合金,屈服强度283Mpa,其材料属性见表1。

    表1 材料属性

材料属性

    1.1 边界条件的确定

    有限元分析时,需要根据车门外把手的结构特点、载荷性质及分析目的选择适当的计算模型以达到分析计算经济合理的目的。边界条件反映了分析对象与外界之间的相互作用,是实际工况条件在有限元模型上的表现形式。通过分网生成的网格组合体定义了节点和单元数据,它并不是完整的有限元模型,因此还不能直接用于计算。只有定义了完整的边界条件,才能计算出需要的计算结果。边界条件的定义必须考虑到实际车门外把手的受力情况。

    根据日常生活经验,门把手的受力主要是靠手心,手指握力,以大拇指为支点,进行旋转或提拉动作。因此,车门外把手受力较简单,仅受到人给把手作用的拉力,以及其旋转到极限位置(开启瞬间)所受到的阻力。设定人提拉车门把手的力为200N,并将200N以压强的形式加载在把手握持部位。静力分析时,在孔中心施加5个自由度约束(仅释放绕x轴的旋转自由度),并在舌端增加两个点的y轴位移约束。

    1.2 原始结构静力分析

原始结构

    图1 原始结构

原始结构有限元分析模型

    图2 原始结构有限元分析模型

    原始结构几何模型带圆角,手持部位为曲面,因此采用四面体单元划分实体网格。对模型施加均布压力,压强大小由拉力200N与受力面积1578.88mm2计算可得,为0.126Mpa。

    表2 原始结构数据

原始结构数据

    对其进行静力分析,得到如图3、图4所示结果。最大位移为0.499mm,位于外把手末端;最大应力为63.9Mpa,位于舌端根部。

原始结构位移云图

    图3 原始结构位移云图

原始结构应力云图

    图4 原始结构应力云图

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