多模型优化MMO在整车拓扑优化分析中的应用

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以下文章来源于CAE数值优化轻量化，作者方永利

本文主要介绍Optistruct多模型优化(MMO)在整车拓扑优化分析中的应用。整车拓扑优化主要在概念阶段进行，考察整车的刚度、结构碰撞性能下的传力路径。其中对于结构碰撞性能的考察主要是根据车型开发的性能要求进行工况的选择，如正碰、侧碰、顶压、偏置碰等。多模型优化(MMO)可以对多个模型同时进行性能考察下的拓扑分析。

整车拓扑需要根据项目开发要求选择考察的工况，主要是结构碰撞工况的选择，如正碰、偏置碰、侧碰、侧柱碰、MPDB工况等，弯扭刚度工况一般没有区别。对于多工况分析应用Optistruct的多模型优化功能，如结构碰撞工况线性化处理后的分析模型一般为整车模型、弯扭刚度模型可以是白车身模型或BIP模型。

一.拓扑优化空间生成

拓扑空间的生成需要内外CAS数据，发动机、底盘、座椅、行李箱等布置数据。拓扑空间CAD数据的生成这里建议使用SCDM软件来完成。对于外边界的生成有两个方法，一个是通过外CAS来手动生成；另一个是通过导入外流场分析网格模型来生成，因为概念阶段外流场分析一般在这个阶段已经开始进行了。这两种方法在SCDM均可以快速实现。尤其是第二种方法十分快捷，这种方法也常常用在逆向工程中的模型生成。感兴趣的可以去了解下SCDM在逆向工程的应用，SCDM支持python二次开发，尤其是有宏录制的功能方便进行二次开发。

这里拓扑域的网格用全六面体网格离散，从CAD到全六面体网格使用DepMesworks的Wrapper功能来实现。

二.单模型拓扑优化设计

多模型优化适用于需要同时考察不同模型同时考察的情况，本例中对于车身结构拓扑优化需要同时考察白车身刚度、整车拓扑性能。而白车身弯曲刚度和整车结构碰撞的模型是不一致的，但结构是相同的，因此适用于MMO优化。基于白车身刚度性能的拓扑优化设置不过多介绍，这里着重介绍下结构碰撞性能拓扑模型的设置。本例中以正碰和侧碰工况为例介绍。

结构碰撞分析模型设置：

结构碰撞工况拓扑优化时采用等效线性静力工况进行，分析时采用惯性释放法。约束分解后静态工况下整体结构的柔度，以质量最小为设计目标。这和车身刚度拓扑优化分析时的设计约束和设计目标是一致的。

等效静态载荷下整车柔度性能需要根据对标车或者参考车的对等工况分析提取。如果有对标车的分析数据则可以根据要求重分析提取，如果没有对标车的分析数据则需要根据基础车型或以往的车型来改。也就是自己造数据。主要是通过Morph工具来完成，如ANSA-Morph或者DepMeshworks。不建议用HyperMorph来做。

根据轴距、轮距、外形尺寸以及所需的配置信息，可以根据以往车型通过Morph工具来实现新开发车型的概念模型的 “无中生有”，该模型可以正常进行结构碰撞分析。这是在无对标车分析数据的情况下的首选。

有了参考模型后进行结构碰撞分析，这里简单介绍下如果将结构碰撞工况等效为静态工况。本文以正碰分析为例。

正碰工况等效静态载荷。根据正碰刚性墙碰撞力曲线及整车碰撞过程可以看出，整个碰撞过程可分为3个阶段（对应三个屈曲点）：第1阶段为吸能盒碰撞变形吸能过程，吸能盒发生屈曲的点对应曲线中1点的位置；第2阶段对应前纵梁前端变形吸能过程，纵梁前端发生屈曲点对应曲线中2点的位置；第3阶段为前纵梁后端变形吸能以及前舱部件发生接触碰撞过程，前纵梁后端发生屈服的点对应曲线中4点的位置。

整个碰撞过程可以等效为4个静态载荷点，在整车碰撞工况拓扑分析时，需要提取这四个点对应位置的截面力载荷，并施加在对应的位置，分析时考察4个线性静态工况。

1点对应吸能盒屈曲失效点，取此时吸能盒截面力；2点对应前纵梁前端屈曲点，取此时前纵梁前端截面力；3点对应前纵梁中段屈曲点，取此时前纵梁和shotgun截面力；4点对应前纵梁后端屈曲点，取此时前纵梁、shotgun门槛梁、中通道、A柱截面力；5点对应车身开始回弹点。

这里在介绍一下截面力提取的方法，正常处理过程是需要提前在模型中定义好截面，然后将截面力输出才可以在后处理软件中完成截面力的提取。这里介绍一下基于META后处理截面力的提取，不需要在模型中事先定义，只需要在后处理时即可完成任意截面的截面力的提取。即通过Meta-Calculate-Section Forces插件完成。