金属燃油箱形貌优化设计方法研究
摘要: 本文提出了一种在OptiStruct软件中对金属燃油箱进行形貌优化，进而获得燃油箱加强筋布置的新方法。分析结果表明对采用该方法设计的燃油箱模态有显著提高。该方法为金属燃油箱加强筋的布置提供了快捷、有效的途径。采用该方法通过软件的自动优化计算获得燃油箱加强筋的布置最佳方案，
关键词: 燃油箱，设计，形貌优化，OptiStruct
TopographyOptimization Design Study on Metal FuelTanker
【Abstract】Thispaper gives a new method to layout metal fuel tanker enforcement rib bytopography optimizing in OptiStruct software. By the method, we can getenforcement rib automatically by software optimizing. 1st mode offuel tanker is highly improved according to the analysis results. The methodgives a fast and effect way to layout fuel tanker enforcement rib.
Key words: Metal fuel tanker, Deisgn, Topographyoptimization, OptiStruct
前言
对于薄壁钣金支架零件，在钣金型材上冲压加强筋，在材料成本不变的前提下是提高支架结构强度的主要手段，因此确定加强筋布置方案是支架设计开发的关键环节之一。目前，有限元技术在各种汽车支架的优化设计中已经得到广泛应用[1]，但由于零件具体形状、安装位置的不同，支架上加强筋的布置也各不相同。根据有限元分析结果对加强筋布置方案进行改进大多只能凭借设计者的经验，得到的往往只是可行性设计而不是最优设计，如何借助先进的设计理念及分析工具获取支架加强筋的最优布局是设计者们正需要解决的问题。
形貌优化是一种针对薄壁板形结构中寻找最优的筋分布的概念设计方法，该方法同样适合应用于钣金型材冲压件的设计。目前，借助商业有限元软件的形貌优化设计已经在发动机油底壳的改进设计中得到了初步应用[2][3]，但在燃油箱壳体设计应用及加强筋参数设置等方面的研究还少见报道[4]。本文以形貌优化在某新车型金属燃油箱下壳体设计中的应用进行研究，寻找由形貌优化到燃油箱壳体加强筋布置最优的解决方案。
1 原始概念设计有限元模型建立及模态分析
1.1 燃油箱几何模型的导入、重构及修整
将工程师提交的初版燃油箱的几何模型导入HyperMesh中。由于燃油箱上下壳属薄壁零件，导入的UG模型需要利用Geom面板(几何面板)中的MidSurface功能对其进行中面的抽取。抽取的中面存在缝隙、重叠、错位等缺陷，需要利用Geometry Cleanup(几何清理)功能消除以合并自有边，然后消除不必要的细节，这可以提高整个划分网格的速度和质量，减少计算误差。
1.2 燃油箱壳体几何模型的网格划分 几何清理工作做完以后，就可以进行网格的划分。网格划分完后须进行单元质量检查，HyperMesh软件可自动找出错误单元和质量差的单元，这些单元在计算和优化时会产生错误，使计算或程序不能继续或得出错误结果。检查的内容包括：单元最小尺寸、单元最大长度、长宽比、四边形最大角、四边形最小角、三角形最大角、三角形最小角、对角线余角、雅可比和三角形占所有单元的百分比。选择其中一项后，不合格的单元会以红色显示，质量差的单元会以黄色显示，质量较好的单元则以透明显示。HyperMesh对检查出的有颜色的单元提供了强大的质量修复功能，包括：placenode(移动节点)、swap ease(交换边界)、node optimize(节点优化)和element optimize(单元优化)功能。
对完成的燃油箱有限元模型四个安装点施以固定约束，输入ST14材料的杨氏模量2.1GPa,泊松比0.3及质量密度7.85g/cm3，得到初始概念设计数模的模态分析有限元模型见图1.
图1 燃油箱原始概念有限元模型
1.3 初始模型燃油箱模态分析
利用图1所示模型，求解得到燃油箱前五阶模态，其中1阶模态为58HZ,在邮箱下壳体中部（图2）。由于汽车在行驶中，路面的激励频率一般低于50HZ,而国标GB18296规定的振动试验频率为30HZ，考虑到计算误差及未考虑到油液质量的影响，因此公司企标把燃油箱的一阶模态定义为大于80HZ。从分析结构来看无法满足要求，需要对下壳体的结构进行优化。
图2 燃油箱模态1阶振型图
2 对最初设计进行形貌优化
为了获得支架加强筋布置方案，使用Optistruct软件对支架进行形貌优化。在形貌优化计算之前,先把原始数模上的加强筋去除，重新划分网格，在计算前必须先设定优化设计区域，即可以布置加强筋的区域。由于网格节点变形后起筋与未起筋区域之间的网格形状变化较大，容易导致网格畸变。因此除了安装位置、不需要起筋的位置外，对一些零件连续折弯或网格节点法向角度急剧变化的区域，为了避免在该区域的由于节点自动变形而产生质量过差的网格导致计算不收敛的现象，将这些区域也设置成非优化设计区域。最终确定的优化设计区域如图3蓝色所示。
图3 去除原始加强筋后的有限元分析模型图
同时定义加强筋的基本参数。根据支架材料的成形特性确定加强筋的高度为10mm；另外需定义加强筋最小宽度，若定义一个较小的最小加强筋宽度，软件迭代计算次数增加较多，而且宽度较小的加强筋对支架整体强度影响较小，为了减少计算时间根据支架整体尺寸定义加强筋的最小宽度为40mm。定义形貌优化设计区域和加强筋基本参数后，再设定优化目标——第一阶固有频率最大，就可以提交计算通过形貌优化软件获取加强筋的最优布置方案。经过23轮迭代计算后该下壳体的形貌优化分析结果如图4所示，此时一阶模态达到了90.5HZ，而原始去掉加强筋的模型一阶模态仅为22HZ,可见存在巨大的优化空间。
图4 优化结果
3根据形貌优化结果布置加强筋
根据形貌优化的分析结果结合零件功能及工艺可行性，布置燃油箱壳体加强筋，最后设计完成的燃油箱下壳体模型如图5所示。
图5 最终设计模型
最后对完成设计的燃油箱进行模态分析，得到整个燃油箱总成的一阶固有频率为82.8Hz（见图5），其一阶模态出现在燃油箱上壳体中间部位，说明下壳体模态应该更高，其分析结果与形貌优化分析结果匹配良好，与最初的设计方案相比，第一阶固有频率提高了42%，达到了设计要求。
图6 最终模型的一阶模态振型图
4 总结
1) 对于薄壁钣金件加强筋的设计，在加强筋最大高度确定的前提下，关键是找到加强筋对应设计目标（如结构强度、某阶固有频率等）的最佳起筋区域布置方案，只有这样才能获得满足成本及设计要求的最佳结果。
2) 通过形貌优化方法布置燃油箱壳体的加强筋，不但可以有效提高燃油箱的结构强度，而且可以优化设计开发的流程，大幅缩短了产品开发的周期。本文对基于形貌优化方法对燃油箱壳体加强筋进行布局的研究为该方法在钣金零件设计领域的应用起到了很好的指导作用。
参考文献：
[1] 吕兆平等 基于有限元技术的发动机悬置支架拓扑优化设计研究 汽车工程，2009（4）
[2]贾维新等，基于形貌优化的低噪声油底壳设计研究【J]浙江大学学报（工学版）2007,41（5）；770-773.
[3]舒歌群等，基于HYPERWORKS的柴油机油底壳有限元建模和结构优化【J].小型内燃机与摩托车，2008（2）：25-27
[4]袁登木，龙海强. 燃油箱形貌优化设计方法研究. Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
