基于OptiStruct拓扑优化的尿素罐支架设计

周博，田大庆，江怡舟，邓皓

基于OptiStruct拓扑优化的尿素罐支架设计

周博，田大庆*，江怡舟，邓皓

（1.四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065；2.成都大运汽车集团有限公司，四川 成都 610105）

针对某轻卡汽车的尿素罐支架，本文在HyperMesh中建立了三种工况下的拓扑优化模型，并利用OptiStruct进行优化求解计算，得到了尿素罐支架的最佳材料分布路径。根据拓扑优化结果，在原模型的基础上进行了轻量化设计，并在相同工况下重新进行静力学分析。结果表明新设计的尿素罐支架在保证结构性能要求的前提下降重明显，对类似的钣金盒子结构的设计具有极大的指导作用。

尿素罐支架；拓扑优化；轻量化；OptiStruct

随着国家对汽车排放要求的逐年提高，越来越多的国VI货车进入市场，尿素系统成为了货车的必装产品。在对总质量较为敏感的物流运输业中，保持车辆性能不变并尽可能地降低自身重量，就意味着能够装载更多的货物，为用户带来更大的利润空间。汽车的轻量化不仅可以提高车辆的动力性、降低油耗，而且能够减少成本、减轻排放污染，提高企业的产品竞争力[1]，因此汽车轻量化逐渐成为汽车领域关注的焦点。

针对产品结构存在设计安全系数过大的问题，传统的做法往往是由设计人员先进行产品改进设计，然后利用有限元软件重新进行分析验证，这样不仅得不到最佳的优化方案，而且在反复修改的过程中大大延长了产品的开发周期[2]。本文以尿素罐支架的减重设计为例，基于OptiStruct变密度拓扑优化技术，在给定的设计空间内寻找最佳材料分布和传力路径[3]，并根据拓扑优化结果设计新的尿素罐支架结构，最后通过静力学分析验证拓扑优化结果的可行性，在实现减重的同时保证其强度和刚度等性能指标不会大幅度下降，对类似的钣金盒子结构的设计具有极大的指导作用。

1 原尿素罐支架强度分析

1.1 原尿素罐支架有限元建模

轻型卡车尿素罐是通过支架与车架纵梁相连接，为了更好的分析尿素罐支架的强度，截取车架纵梁的一段作为支架的固定端，简化后尿素罐支架模型如图1所示。

1.车架纵梁 2.尿素罐体 3.尿素罐内支架 4.尿素罐外支架 5.背带

尿素系统由尿素罐体、尿素液、尿素罐支架、背带、车架横梁等组成，其中尿素罐体、尿素罐支架、背带以及车架纵梁都采用2D-SHELL壳单元模拟，网格基本尺寸为6 mm，尿素液用1D-mass质量点单元模拟，配重20 kg，尿素罐支架与车架纵梁之间、背带与尿素罐支架之间用RBE2-CBAR-RBE2来模拟螺栓连接，尿素液质量点与尿素罐体之间用RBE2来模拟连接，背带与尿素罐体之间用绑定接触FREEZE来模拟连接[4]。尿素系统整体单元总数为42658、节点总数为43168，如图2所示。材料参数如表1所示。

图2 原尿素罐系统有限元模型图

表1 材料参数

1.2 建立边界条件

尿素罐支架在汽车行驶过程可以大致分为以下几种情况：①垂直弯曲（过坑冲击）工况；②侧向转弯工况；③紧急制动工况。在截取的车架纵梁两端约束△123456自由度[5]，各种工况的施加的载荷如表2所示。

表2 分析工况

利用OptiStruct对尿素罐支架原结构进行分析，得到的应力云图如图3～图5所示。

1.3 小结

利用HyperMesh对原始模型进行前处理，利用OptiStruct对原始模型进行三个工况仿真计算，弯曲工况产生的最大应力为194.7 MPa，侧向转弯工况产生的最大应力为30.6 MPa，紧急制动工况产生的最大应力为152.5 MPa。从三种分析工况的应力云图可以看出，最大应力的位置都出现在尿素罐内支架上，因此尿素罐外支架具有拓扑优化的可行性。

图3 原模型垂直弯曲工况应力云图

图4 原模型侧向转弯工况应力云图

图5 原模型紧急制动工况应力云图

2 拓扑优化

2.1 拓扑优化理论描述

将设计变量定义为离散单元的相对密度，用q（＝1，2...）来表达，原始设计单元密度定义为，优化后的单元密度定义为0，则存在关系式为＝q×0，单元材料属性会随着单元相对密度的变化而变化，且与单元相对密度成指数变化关系：

式中：0、为单元的初始弹性模量和优化后的弹性模量；0、为结构单元的初始刚度矩阵和优化后的刚度矩阵；0、为结构单元的初始质量矩阵和优化后的质量矩阵；为惩罚因子[6]。

2.2 确定优化工况

针对该轻卡汽车，通过对尿素罐支架的原始模型进行了垂直弯曲（过坑冲击）、侧向转弯、紧急制动这三种工况的分析，可以发现：在垂直弯曲（过坑冲击）工况尿素罐支架产生的应力最大，在此工况时尿素罐支架的受力情况最恶劣。因此选择此工况作为尿素罐支架优化工况[7]。

2.3 确定拓扑优化设计空间

尿素罐支架在结构设计中，必须保证尿素罐支架与车架纵梁之间、背带与尿素罐支架之间的安装位置和连接形式不变。其中蓝色区域为传力路径搜索区域，作为设计空间；红色区域为尿素罐支架安装孔、背带的安装孔以及尿素罐支架轮廓边缘，作为非设计区域。如图6所示。

2.4 确定拓扑优化三要素

根据优化设计的三要素，优化模型必须确定设计变量、目标函数和约束条件。其数学模型可表述为：

最小化：

约束条件：

图6 尿素罐支架的设计空间与非设计空间

在拓扑优化的变密度法中，设计变量为设计空间内每个单元的密度，目标函数和约束函数是从有限元分析中获得的结构响应[9]。本文以最小柔度为拓扑优化的目标函数，柔度是结构刚度的倒数，当载荷给定后结构的柔度越小则表示整个系统的刚度越大。约束函数取体积分数不超过0.6，即迭代后设计区域体积与初始设计体积的比值为0.6。为了保证设计产品在工艺上的可实现性，拓扑优化模型设置最小成员尺寸为18 mm、最大成员尺寸为30 mm，DISCRTID值设为1，CHECKER值设为1，以减少密度在0～1之间的单元数量[10]。

2.5 优化计算结果

尿素罐支架拓扑优化模型经过9次迭代后，得到单元密度为0.7设计区域材料最优化布局等值面图，如图7所示。根据工艺性及几何要求，需根据支架最优材料分布在原始模型的基础上进行重新设计。新模型保留支架底部边缘结构。新设计的尿素罐支架结构如图8所示，虽然新模型是在原始模型上进行的改进设计，与优化结果模型有差异，但拓扑优化结果为原始模型的降重改进设计提供了思路和依据。

图7 设计区域材料的最优分布图

图8 新尿素罐支架模型图

3 优化后的尿素罐支架静力学分析

将新设计的尿素罐支架代替原始结构，重新进行网格划分，保持与原有限元模型相同的载荷工况和计算方法，通过计算三种工况：垂直弯曲工况得到了尿素罐支架应力结果如图9，侧向转弯工况得到了尿素罐支架应力结果如图10所示，紧急制动工况得到了尿素罐支架应力结果如图11所示。

优化后的模型在三种工况的分析中垂直弯曲工况产生的最大应力为191.6 MPa，侧向转弯工况产生的最大应力为26.7 MPa，紧急制动工况产生的最大应力为141.4 MPa，三种工况的最大应力都小于材料Q345的屈服强度345 MPa，满足性能要求。优化后的模型最大应力任然出现在尿素罐内支架上，而且由于外部支架减重后使得最大应力较原结构有所降低，优化后尿素罐支架重7.31 kg，较原结构质量降低了23.3%，满足优化要求。优化前后参数对比如表3所示。

图9 优化后模型垂直弯曲工况应力云

图10 优化后模型转向工况应力云图

图11 优化后模型紧急制动工况应力云图

表3 尿素罐支架优化前后参数对比

4 结论

首先对尿素罐原结构进行了有限元分析，接着运用OptiStruct对尿素罐支架进行拓扑优化，最后对重新设计的尿素罐支架进行强度分析。新设计的尿素罐支架既满足了结构的强度要求，又最大限度的减轻了结构质量，对比新设计的尿素罐支架较原尿素罐支架重量减轻了23.3%，这为整车及零部件的轻量化设计提供了很好的借鉴，更重要的是本文的分析方法对类似的汽车零部件拓扑优化降重改进提供了思路，有助于提高汽车产品设计效率。

[1]李淑梅，韦永平.基于OptiStruct 拓扑优化的转向器支架轻量化设计[C]. Altair HyperWorks技术大会论文集，2017.

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Bracket Design of Urea Tank Based on OptiStruct Topology Optimization

ZHOU Bo，TIAN Daqing，JIANG Yizhou，DENG Hao

(1.School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.Chengdu Dayun Automobile Group Co., Ltd., Chengdu 610105, China )

For the design of urea tank bracket of a light truck, this paper establishes the topological optimization model under three working conditions in HyperMesh. The optimal material distribution path of urea tank bracket is obtained by applying Optistruct for optimization and calculation. According to the results of topology optimization, the lightweight design is conducted on the basis of the original model. The statics analysis is carried out again under the same working conditions. The results show that the newly designed urea tank bracket can significantly reduce the weight on the premise of ensuring the structural performance requirements. It also provides useful reference to the design of similar sheet metal box structure.

urea tank bracket；topology optimization；lightweight；OptiStruct

TP391；O189.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.012

1006－0316 (2020) 01－0071－05

2019－09－02

周博（1995－），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构仿真。*

田大庆（1971－），男，四川南充人，工学博士，副教授，主要研究方向为数控技术、设备故障诊断、缺陷安全评价。