仿真大师课：汽车减重之轻量化设计与仿真（7月11日）

导读：2021仿真知识周（第三届）重磅来袭！7月11日20时，我们将邀请方老师，仿真秀专栏作者，毕业于西安交通大学，从事CAE仿真分析工作9年，曾在央企研发部门从事核电设备设计研发工作，目前在汽车行业从事整车多学科优化及轻量化优化工作。

2021仿真知识周-汽车论坛的首场公开课将由方老师主讲《汽车减重之轻量化与仿真》，敬请期待，详情请查阅后文。

一、写在前面

针对于底盘结构铸件，首先基于OptiStruct进行拓扑优化，约束体积分数，并以最小化加权柔度为设计目标进行减材优化设计。然后在拓扑优化结果的基础上进行形状参数优化。

通过HyperMorph创建形状设计变量，约束应力设计响应，并以最小化质量为设计目标，通过HyperStudy进行DOE分析、代理模型建立和参数优化。并以铸铝转向节为例进行多级轻量化优化。

通过轻量化优化后，转向节在满足所有性能要求的前提下，减重约0.4Kg，减重比约为8.6%。

二、拓扑优化的概述

拓扑优化可以用于结构材料分布的优化设计，对于底盘结构件通常用于概念设计阶段。这一阶段通常不考虑结构的局部应力强度，而是在详细设计阶段进行局部应力的评价。常用的拓扑优化策略有：约束体积/质量分数，最小化柔度；约束位移，最小化体积/质量分数；约束频率，最小化体积/质量分数；约束体积/质量分数，最小化柔度和频率组合等。

以上的优化组合中对于体积/质量分数作为设计约束时往往都是根据经验来设置约束阈值，这种情况下对于局部应力性能不作为主要考察的性能。而是在详细设计阶段考察。而应力强度性能往往都具有局部性，可以通过局部特征的修改来进行性能优化。

因此，往往通过拓扑优化后的结果仍具有较大的轻量化空间。本文以底盘结构件为例，介绍HyperWorks在底盘结构件多级轻量化中的应用。首先通过拓扑优化，约束体积分数，以最小化加权柔度为设计目标。然后在拓扑优化的基础上进行形状、参数优化，约束应力强度，以最小化质量为设计目标。最终通过多级轻量化优化得到满足所有性能要求且质量最小的优化设计。

三、有限元模型建立及性能评价

1、网格划分

转向节采用实体单元进行网格划分，网格平均尺寸为3mm。有限元计算模型共有283041个单元，443409个节点。有限元模型见图1。

2、材料与属性

转向节材料为铸铝A356，计算中所使用的材料参数如下表：

合金钢的材料参数：

• 弹性模量：72GPa
• 材料密度：2.7e-9t/mm3
• 泊松比：0.33

• 长度单位为：mm

3、分析工况及初始性能结果

转向节强度分析共考察11个工况，分析工况及初始性能分析结果见表1。分析载荷通过整车多体动力学模型中提取。所有结果均满足性能要求。

四、基于OptiStruct的拓扑优化

1、设计空间、设计约束和设计目标

根据转向节的受力情况及初始性能分析，拓扑优化时考察4个工况，即转向工况、车轮侧向冲击工况、坑道制动工况和垂直工况。这四个工况下转向节的受力最为苛刻，分析考察这四个工况可以包络其他所有工况。拓扑优化设计空间选取除安装点外其他的材料位置，拓扑优化设计空间见图2所示。拓扑优化约束设计空间的体积分数小于0.7，以最小化加权柔度为设计目标。同时，设置拔模方向制造约束。

2、拓扑优化结果

拓扑优化经过19次优化迭代后，满足收敛条件，拓扑优化结果云图见图3所示。

图3 拓扑优化结果云图

3、拓扑优化结果性能验证

根据转向节的拓扑优化结果进行网格重构，对重构后的模型进行性能验证分析。重构后的有限元模型见图4。

经过对重构后的模型进行强度分析计算，满足所有强度性能。拓扑优化减重0.2Kg。同时可以发现，拓扑优化设置设计约束为体积分数小于0.7，此约束条件下的结果仍有较高的性能余量及轻量化优化空间。因此，还可以继续基于拓扑优化结果进行形状优化，进一步进行轻量化优化分析。

五、基于HyperStudy的形状优化

1、形状参数模型创建

对转向节创建4个形状参数，包括两侧宽度和上侧高度和下侧高度。形状参数模型见图5所示。通过HyperMorph创建Morph volumes，并通过控制Morph handles进行形状参数的创建。4个形状参数云图显示见图6。参数表见表2。

图5 参数化模型

图6 HyperMorph形状参数

2、形状优化设计约束和设计目标

正如在拓扑优化分析中所考察的4个工况，形状参数优化时也考察转向工况、车轮侧向冲击工况、坑道制动工况和垂直工况的应力强度做为设计约束，并以最小化质量为设计目标。其中模型质量设计响应通过HyperStudy数据处理接口读取结果文件.out，获得结果文件中的Mass信息做为质量设计响应。4个工况下的应力结果通过第三方后处理软件获取。HyperStudy可以由用户自由添加求解器接口，本文通过HyperStudy的Solver Script注册第三方后处理程序，进行强度分析结果后处理，创建应力设计响应，用于创建设计约束。设计约束设计目标见表3。

3、实验设计

本文选取HyperStudy自带的D-Optimal法进行实验设计分析。设计变量和设计响应之间的相关系数见图7。其中相关系数矩阵图是由绿色到红色过渡显示的，绿色越深，对应相关系数越大，为正相关。红色越深，对应数值越小，为负相关。可以看到转向节右侧变形参数变量对4个工况下的最大应力相关性系数均最大。 

图7 最大应力灵敏度结果

4、代理模型

HyperStudy中FAST法可以自动构建最佳的代理模型。FAST法自动测试所有可用的代理模型方法，并确定一种拟合质量最佳的代理模型。本文使用FAST法，基于DOE实验结果对设计响应创建代理模型用于后续优化分析，拟合结果见图8。响应面模型见图9。

从拟合结果可以看出，其中模型质量，工况8应力和工况9应力的代理模型质量最高的为LSR法。工况2应力和工况5应力代理模型质量最高的为MLSM法。以上所有代理模型的R-Square值均大于0.90，满足工程分析要求。

图8 模型质量和最大应力强度代理模型结果

图9 响应面模型

5、 优化分析

HyperStudy具有丰富的优化算法库，可用于基于代理模型优化的算法包括自适应响应面法（ARSM）、全局响应搜索法（GRSM）和遗传算法（GA）。其中遗传算法是一种探索性方法，可以同时进行大量的分析计算，且使一种全局搜索方法，可以获得全局优化解。并且非常适合于离散问题。本文选择遗传算法，基于上一步的代理模型进行转向节的形状优化。

6、优化结果

优化后的设计变量参数见表4所示。根据优化解设计变量参数更新转向节计算模型，并验证所有强度工况，结果表明转向节优化后的方案满足所有工况强度性能要求。优化模型和原始模型对比如图10所示，原始模型质量为4.689Kg，通过形状参数优化减重0.203Kg。

图10 优化模型对比图

表4 优化参数结果

六、分析与结论

通过对转向节进行拓扑优化和形状优化多级轻量化优化后，转向节满足所有工况的强度性能要求，模型质量由初始的5.093Kg降低为4.689Kg，减重比约为8.6%。通过HyperWorks在转向节多级轻量化优化中的应用可得到以下结论：

1.HyperWorks具有强大的结构优化及轻量化优化分析能力，基于OptiStruct的拓扑优化和基于HyperMorph及HyperStudy的形状参数优化可以在最大化程度上进行轻量化优化设计。

2.HyperStudy具有丰富的实验设计方法、代理模型拟合方法和优化算法，可以广泛地用于性能优化和轻量化优化分析。同时还具有联合第三方软件的接口，可以扩展优化流程和优化方法。

3.HyperWorks在汽车底盘结构件的性能优化和轻量化优化应用中具有广泛的应用，对于减重降本具有极大的帮助。

六、写在最后

为了更好的帮助大家理解汽车轻量化设计，在《2021年仿真知识周》汽车专场的仿真大师课的首场直播，笔者将给朋友们带来一期《汽车减重之轻量化与仿真》公开直播，提供在线答疑、永久视频回看和授课资料PDF下载等服务。以下是直播安排。

本文摘自笔者论文《基于HyperWorks的底盘结构件多级轻量化优化》部分内容有修改。如果您希望得到本论文、以及相关资料和模型,请点击附件下载，如果遇到麻烦请联系仿真秀平台任意客服，或者在评论区留言。

参考文献

[2] Altair Engineering, HyperStudy User’s manual[M],Version 17.0.

（完）