基于OptiStruct的某车身备胎池形貌优化设计
孙九霄_基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计
基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计孙九霄谢振兴周俊中国舰船研究设计中心湖北武汉430064摘要：本文介绍了复合材料在国内外船舶设计建造中的应用及复合材料在船舶设计中存在的问题。
采用HyperWorks软件对夹芯复合材料进行结构分析，并对复合材料尺寸和铺层进行优化设计，优化后复合材料的性能得到提升。
关键字：船舶设计复合材料 HyperWorks 结构优化1前言纤维增强树脂基复合材料是一种理想的结构/功能材料，具有传统材料无法比拟的优良综合性能。
近年来复合材料凭借其优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性在舰船中得到了广泛的应用，已形成独特的纤维增强树脂舰船材料、设计与制造技术。
材料成型一体化是复合材料的区别于传统材料的一大特点，而这也使得复合材料设计及优化变的尤为重要。
复合材料的结构设计及优化是一项基础性和应用性很强的工作，其最终目的是将结构设计的更合理、成本更低、工艺性更好且更安全可靠。
2 复合材料在海军舰船中的应用情况目前复合材料在海军上的应用非常广泛，但是很久以来这些应用仅局限于一些小型船只和一些次要的舰艇结构。
二战以后，复合材料首次在美国海军的一些小型客运舰艇上得到应用。
在实际应用时，发现这些舰艇有很多优点，如强度大、刚度大、持久耐用而且易于维修，因此，在上世纪40年代到60年代，复合材料在美国海军中的应用迅速增加。
在越南战争期间，应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和侦察艇等各种舰船数量达3000艘。
美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。
表1列举了二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用。
表1二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用扫雷艇（15.5米长）登陆侦察艇（15.8米）登陆舰（15.2米）内河巡逻艇客运舰艇（7.9米）领航艇木船罩潜艇流线装置潜艇声纳罩潜艇无压浇注船体潜艇尾翼小型舰艇船室桅杆和桅杆覆盖物天线屏蔽罩方向舵天线绝缘管道罐（燃料、润滑油、水）管道系统鱼雷发射管船员掩蔽所舱口盖绳索防护装置自上世纪50年代，复合材料开始在其他国家海军的舰艇和潜艇上得到应用。
张继游_基于OptiStruct的白车身拓扑优化研究
图 3 弯曲刚度工况优化结果 (2）扭转刚度工况
图 4 柔度迭代过程
图 5 优化结果解析
扭转刚度工况优化结果如图 6 所示。柔度经过 80 迭代，最终优化的最小柔度为 97.7N·mm，迭 代过程如图 7 所示。由图 8 可知，材料在备胎前横梁①和后横梁堆积②，可知该两个结构对扭转刚度 作用大，同时后纵梁中段前横梁①通过载荷传递路径与门槛梁③前端相连。
图 12 后面碰撞工况优化结果 (5）侧面碰撞工况
图 13 柔度迭代过程
图 14 优化结果解析
侧面碰撞工况优化结果如图 15 所示。柔度经过 18 迭代，最终优化的最小柔度为 9.5KN·mm，迭 代过程如图 16 所示。由图 17 可知，载荷传递路径有 3 条，分别是门槛梁前端横梁①、门槛梁中部横 梁②和门槛梁末端横梁③。
图 15 侧面碰撞工况优化结果
图 16 柔度迭代过程
图 17 优化结果解析
本研究通过对五个单独分析工况进行拓扑优化，获取各个工况的最佳材料分布和载荷传递路径， 载荷传递路径上的零件， 即为保证对应工况性能要求的关键部件， 为前期车身架构设计提供指导意见， 将在后期的性能优化中获得重点关注。
3.3 综合工况优化结果分析
综合优化工况包括刚度工况 （弯曲刚度和扭转刚度） 、 碰撞工况(正面碰撞、 后面碰撞和侧面碰撞)。 对于每一种工况，都会有不同的拓扑优化结构与之对应，为了找到满足各主要工况的拓扑结构，本文 采用折衷规划法，参见公式（3.1） ，其中，
基于OptiStruct的电动汽车车身骨架拓扑优化
基于OptiStruct 的电动汽车车身骨架拓扑优化葛东东1，祝良荣1，玄东吉2（1.浙江工业职业技术学院汽车学院，浙江绍兴312000；2.温州大学机电工程学院，浙江温州325035）摘要：电动车续航里程过短是影响推广应用的主要瓶颈因素之一，而电动汽车车身结构的轻量化是提高续航里程的有效途径。
本文基于电动汽车车身骨架的静态分析，以车身骨架重量最小为优化目标，应用OptiStruct 软件进行拓扑优化设计，得到车身骨架结构的最佳材料分布方案。
最后结合Hyper⁃Works 以及通用数值分析软件Radioss 对优化前后的车身骨架进行静态分析，从应力、变形、重量等方面对计算结果进行比较。
结果显示，优化后保证了车身骨架强度和刚度要求。
车身骨架下端部分质量减轻，并大大降低焊缝长度。
关键词：车身骨架；静态分析；拓扑优化中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1001-7119（2015）09-0240-05Topology Optimization in Electric Car Body Frame Based on OptistructGe Dongdong 1，Zhu Liangrong 1，Xuan Dongji 2（1.Institute of Vehicle ，Zhejiang Industry Polytechnic College ，Zhejiang Shaoxing 312000，China ；2.College of Mechanical &Electrical Engineering ，Wenzhou University ，Zhejiang Wenzhou 325035，China ）Abstract ：The insufficient Mileage is one of the major bottleneck factors which affect the promotion and application of the electric cars.It is effective way to improve the mileage of electric vehicle that reduces the weight of an electric vehicle body.Based on the electric vehicle body frame static analysis,theminimum body frame weight as the optimization goal,OptiStruct software was used to topology optimization design,get the optimal material distribution program of body frame structure.Finally HyperWorks and general numerical analysis software Radioss were used to static analysis of body frame before and after optimization,from the stress,deformation,weight and other aspects of the calculationresults were compared.The results showed that after optimizion the body frame meet the strength and stiffness requirements.The lower part of the body frame quality decreased,and the length of the weld was ignificantly reduced.Keywords ：body frame ；static analysis ；topology optimization收稿日期：2014-07-22基金项目：国家自然科学基金项目（61203042）；教育部人文社科基金项目（12YJAZH224）；校科研项目（111000210920113177）资助。
基于OptiStruct的结构优化设计方法
基于OptiStruct的结构优化设计方法作者：张胜兰优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。
有限元法（FEM）被广泛应用于结构分析中，采用这种方法，任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。
最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。
它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。
概念设计优化――用于概念设计阶段，采用拓扑（Topology）、形貌（Topography）和自由尺寸（Free Sizing）优化技术得到结构的基本形状。
详细设计优化――用于详细设计阶段，在满足产品性能的前提下采用尺寸（Size）、形状（Shape）和自由形状（Free Shape）优化技术改进结构。
拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。
经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化得到更好的方案。
最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。
表1简单介绍各种方法的特点和应用。
OptiStruct提供的优化方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义成千上万个设计变量。
设计变量可取单元密度、节点坐标、属性（如厚度、形状尺寸、面积、惯性矩等）。
此外，用户也可以根据设计要求和优化目标，方便地自定义变量。
在进行结构优化过程中，OptiStruct允许在有限元计算分析时使用多个结构响应，用来定义优化的目标或约束条件。
OptiStruct支持常见的结构响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构应变能、以及各响应量的组合等。
基于OptiStruct的汽车轮毂轻量化设计研究
基于OptiStruct的汽车轮毂轻量化设计研究
徐邦玺;施玉东
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2024(62)2
【摘要】基于有限元分析方法,采用拓扑优化理论对某车型轮毂结构开展轻量化设计研究,提出不同约束条件下的轻量化轮毂方案,进行对比分析。
首先依据现有车型数据设计初始轮毂结构,基于车辆运行的典型工况校核原始模型的服役强度,之后结合拓扑优化方法研究不同工艺约束、体积约束条件下的轻量化方案,并考察优化设计方案的可行性及合理性,为轮毂结构的轻量化设计提供一定的参考依据。
【总页数】3页(P91-93)
【作者】徐邦玺;施玉东
【作者单位】上海理工大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】U463.343
【相关文献】
1.基于OptiStruct拓扑优化的新能源电动汽车电池箱盖轻量化设计
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3.基于ANSYS Workbench汽车轮毂轻量化设计
4.基于ANSYS的汽车铝合金轮毂轻量化设计
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黄永旺_Optistruct在某车型轻量化设计中的应用.pdf
OptiStruct在某车型轻量化设计中的应用黄永旺李芹英李利长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院CAE工程所重庆401120摘要：基于OptiStruct平台，利用尺寸优化方法对某车进行轻量化设计。
以一阶弯曲、扭转模态和刚度位移为约束条件，质量最小为目标函数。
对选取的零部件厚度进行合理的优化设计，实现了车身减重。
关键词：汽车刚度模态优化轻量化1 概述随着燃油价格的有增无减，高油价时代已经悄悄的走到了我们这个时代。
在当今的汽车制造业，各个车厂都在为降低车重，减少燃油消耗作为汽车产业的科技发展方向。
在不影响汽车汽车应用强度的前提下，扯起重量每减轻1%，燃油消耗就可以降低0.6--1%，从这个数字不难看出降低车重对于减排降耗的重要性。
如何降低汽车整体重量呢？随着科技的发展车身减重优化方法越来越多，OptiStruct中的尺寸优化功能，实现了对车身部零部件的最优料厚分布。
不仅减轻了质量，而且合理的设计对整车的性能还有所提升。
2 尺寸灵敏度理论在进行优化前，首先需要进行灵敏度分析以确定各个设计变量对目标函数的影响因子，再根据影响因子的大小对设计变量进行修改，以便在符合约束条件的情况下，最优化设计目标。
设计变量的灵敏度是相对于目标函数而言的，它是通过设计变量的变化而引起的目标函数的变化来衡量，灵敏度分析的是优化分析的基础，在进行优化计算前，完全可以根据灵敏度分析的结果进行结构的改进，这样可以节省大量的计算时间，提高优化效率。
灵敏度分析在数学上可以理解为：若某一函数F（x）可导，其一阶灵敏度可表示为:()()i iF x s F x ∂==∂ 灵敏度计算方法一般有两种，直接求导法和伴随结构法，直接求导法由Fox,R.L 和 Kapoor,M.P 提出，经过多人的不断拓展，得到了广泛的推广和应用。
伴随结构法是根据电 子学中的伴随结构理论,利用特勒根定理和结构力学中的虚功原理之间的相似性，将网络理 论扩展到机械结构中的一种方法。
15_基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计
基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计Optimization design of commercial vehicle wheel hub topology based on OptiStruct高银峰1 周德红2（1上汽商用车有限公司技术中心上海200438 2上汽依维柯红岩商用车有限公司零部件事业部重庆400900）摘要：本文介绍使用OptiStruct软件，对上汽依维柯红岩商用车有限公司大扭矩单级减速驱动桥脂润滑轮毂改油润滑轮毂设计方案进行有限元拓扑优化分析，依据拓扑优化结果在CATIA软件环境重构轮毂3D模型，并进行优化前后轮毂在三种典型工况下的对比分析，确定了拓扑优化方案的可行性。
整个优化设计过程中实现了对产品安全性不妥协情况下的减重，拓扑优化后比优化前减重1.5kg，最终比原脂润滑轮毂减重3.6kg，且轮毂应力分布更趋于均匀，材料利用率更高，外观新颖。
因此，在产品设计阶段灵活运用OptiStruct软件提供的拓扑结构优化技术在追求轻量化设计和自主创新的今天具有非常重要的意义。
关键词：OptiStruct 轮毂拓扑优化有限元分析Abstract：This paper describes the use of OptiStruct for topology optimization of oil lubricated, high torque, single-stage reduction drive axle of SAIC-Iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd. Based on the topology optimization results, a hub CAB model was rebuilt in CATIA, and the new design was analyzed under three load-cases to confirm the viability of the design. The weight was reduced by 1.5kg compared to the original grease lubricated design 3.6kg, while the safety was not compromised. The distribution of stress became more uniform. The material utilization and appearance is improved. There is an important significance to use OptiStruct for topology optimization in product weight reduction.Key words：OptiStruct，wheel hub，topology optimization，finite element analysis1概述拓扑优化技术是结构优化技术中有前景，具有创新性的技术，是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布和传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到性能最优的设计。
汽车轮毂的拓扑优化设计
汽车轮毂的拓扑优化设计张帅张琦贾祥磊西安交通大学机械工程学院西安710049苏州三基铸造装备股份有限公司苏州215106摘要：为了实现汽车铝合金轮毂的结构轻量化设计，本文以拓扑优化方法为理论依据，结合有限元分析技术,针对特定的铝合金轮毂结构进行了轻量化研究。
建立了以轮辐和轮毂中心区域为设计变量的有限元分析模型，分别对轮辐和轮毂中心部位进行拓扑优化，并依据优化结果对模型进行重新设计和性能验证。
结果表明新设计的模型在满足性能要求的前提下比优化前减重了10%，材料性能进一步得到有效应用，轮毂结构轻量化的目的得以实现。
关键字：拓扑优化，铝合金轮毂，HyperWorks0引言在能源、环境和安全三大问题的迫切要求下，现代汽车节能降耗要求不断高涨，安全和环保法规日趋严格，汽车轻量化是必然趋势[1]。
轮毂是汽车的一个重要部件，关系着汽车行驶的安全和舒适性，铝合金轮毂具有诸多优越性已经得到广泛应用，短时期内很难找到替换材料，因此合理的轮毂结构就变得尤为重要，良好的轮毂结构具有重量轻，性能好，材料利用率高，便于加工等优点。
传统的优化是在设计经验的基础上反复试验，计算和校核，其优化周期长，并且耗费大量的人力和物力，近几年出现了采用结构拓扑优化思想和有限元模拟相结合的优化方法，能够更科学和高效的实现结构的轻量化设计。
本文以苏州三基铸造装备股份有限公司生产的轮毂为例，以轮辐和轮毂中心区域为设计变量，采用有限元模拟的方法对轮毂进行拓扑优化设计，并依据最终的拓扑优化结果建立了新轮毂几何及有限元分析模型，对此模型进行了静态力学分析，验证了优化结果的准确性。
1拓扑优化技术简介拓扑优化技术能在给定的设计空间内找出最佳的材料分布，拓扑的改进可大大改善结构的性能和减小结构的质量[2]。
目前连续体结构拓扑优化技术比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和变厚度方法。
变密度法就是引入一种假想的密度值在[0,1]之间的密度可变的材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。
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基于OptiStruct的某车身备胎池形貌优化设计
Topography Optimization Design of Vehicle Body Reserveradmulde Based on OptiStruct
李金龙马媛媛肖攀周建文
（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）
摘要：形貌优化是通过寻找最优的加强筋分布来提高钣金结构的模态及刚度等性能的方法。
本文首先利用Altair公司的HyperMesh软件建立了某轿车车身备胎池结构的有限元模型，并利用OptiStruct模块对有限元模型进行了模态计算。
为了提高备胎池结构的固有频率，在原车身备胎池结构的基础之上通过自由起筋的方式进行了形貌优化设计。
将优化后的备胎池模态频率及原结构的模态频率值进行对比，结果显示优化后的结构固有频率得到显著提高。
关键词：OptiStruct 备胎池模态形貌优化
Abstract:Topography optimization is a way to improve the plate，structural strength and mode frequency through finding the optimal stiffener distribution. In this paper, a vehicle body reserveradmulde model as an example, using HyperMesh to built the finite element model, using the OptiStruct module to carry on the mode analysis, and carry on the topography optimization design by free stiffener to improve the mode frequency. To compare the mode results between the original body reserveradmulde and the optimized one, It shows that the optimized method is effective.
Keywords:OptiStruct，reserveradmulde，modes，topography optimization
1 概述
轿车车身后地板部位为放置备胎的地方。
因为备胎池为深冲压区域，该部位的材料性能要求较为特殊。
一般该处材料的屈服强度比较低，但还要保证其有较好的NVH性能,防止产生振动噪声。
一般情况下可以通过增加钣金件的厚度和压制加强筋的方法来提高备胎池刚度和NVH性能[1]。
增加钣金件厚度会使车身质量增加，提高了成本并降低了燃油经济性。
所以本文通过合理布置加强筋的方式，提高备胎池结构的NVH性能。
本文首先利用HyperMesh软件建立了车身备胎池结构的有限元模型，并对结构的模态进行了分析计算。
为了提高备胎池结构的固有频率，通过OptiStruct模块对其进行形貌优化分析。
结合材料成型的工艺以及工程设计经验对形貌优化设计结果进行解读和处理，最终确定加强筋布置方式。
对比两种结构的固有频率计算结果，结果显示优化后的结构固有频率得
到了显著提高。
2 有限元模型的建立及模态计算
2.1 有限元模型的建立
本文利用HyperMesh软件建立了车身备胎池结构的有限元模型，如图1所示。
因为只针对备胎池底板进行模态计算及优化，所以只截取并建立了备胎池局部结构的有限元模型。
对截取边缘的单元施加边界条件，约束全部自由度。
该有限元模型共含有单元26289个，节26289个。
图1 备胎池有限元模型
2.2 模态计算结果
利用OptiStruct求解器对该模型进行了模态频率计算，最终得到该结构的固有频率和模态振型。
前4阶固有频率如表1所示，前4阶模态振型云图如图2所示。
表1 备胎池结构前4阶固有频率
阶数第1阶第2阶第3阶第4阶
频率（Hz）79.9 120.3 153.4 183.5
图2 备胎池结构前4阶模态振型云图
经计算得到备胎池底板第一阶固有频率为79.9Hz。
设计要求第一阶固有频率不小于90Hz，所以其不满足设计要求。
为了提高备胎池底板的第一阶固有频率，需要对其加强筋进行优化。
3 备胎池板件形貌优化
为了减少对原有结构的改变，本文在原有加强筋的基础之上进行形貌优化设计[2]。
将备胎池板件中未起筋的部位作为优化区域，如图3所示颜色较浅的区域为优化区域。
起筋最小宽度为20mm，起筋拔模角为80，最大筋高10mm，相关参数的示意图如图4所示。
优化问题描述如下：
（1）优化目标：一阶模态频率最大化。
（2）设计约束：加强筋的尺寸和单面对称约束。
（3）设计变量：节点相对壳单元中性面法向的扰动。
图3 备胎池优化区域
图 4 起筋参数示意图
通过OptiStruct软件对备胎池结构进行优化计算，进过15次迭代最终得到其优化的起筋云图如图5所示。
根据颜色的不同，起筋的高度不同。
最大的起筋高度达到10mm，证明优化比较充分。
优化后的前4阶固有频率值如表2所示。
图5 OptiStruct形貌优化结果云图
表2 形貌优化后备胎池结构前4阶固有频率
阶数第1阶第2阶第3阶第4阶
频率（Hz）123.7 148.8 187.2 197.1
4 修改加强筋并进行性能评估
4.1 修改加强筋
根据OptiStruct形貌优化的结果可知，优化后的模型第一阶固有频率达到了123.7Hz。
但是形貌优化得到的加强筋不能直接应用于生产，还需要对加强筋结构进行优化，得到适应
生产和成本要求的结构。
图6为将优化结果进行修改后的加强筋布置方案。
图6修改后的加强筋布置
4.2 优化结果性能评估
利用OptiStruct软件对加强筋修改后的有限元模型进行模态分析。
得到优化后模型的
前4阶固有频率如表3所示，前4阶模态振型图如图7所示。
表3 优化后备胎池结构前4阶固有频率
阶数第1阶第2阶第3阶第4阶
频率（Hz）90.2 141.9 162.4 187.2
图7优化后备胎池结构前4阶模态振型云图
对比优化前后两个结构的固有频率可以发现，相比于优化前的备胎池底板结构，优化后的结构第一阶固有频率得到了显著提高，满足了设计要求。
且前4阶固有频率都得到了明显的提高，优化效果显著。
5结论
本文首先利用Altair公司的HyperMesh软件建立了某轿车备胎池结构的有限元模型，然后利用OptiStruct软件对备胎池结构进行了形貌优化设计。
设定优化设计区域和设计要求后通过OptiStruct的迭代求解得到加强筋的布置方案。
优化后的备胎池结构拥有了更好的NVH性能，第一阶固有频率得到了显著提高并满足了设计要求。
OptiStruct强大的形貌优化性能极大的提高了客户的设计效率，为设计人员提出了更科学的优化方案，减轻了优化设计的复杂程度。
此种形貌优化设计过程在其它钣金零部件设计中也具有重要意义。
6 参考文献
[1] 梁新华，顾彦.汽车前围板振动特性形貌优化设计[J].上海汽车，2009（11）：14-16
[2] 李楚琳，张胜兰，冯樱等.编《HyperWorks分析应用实例》.北京：机械工程出版社，2008.7。