基于Optistruct的保险杠横梁拓扑优化设计

魏显坤，石英，唐清科

（1.重庆工商职业学院，重庆401520；2.重庆广播电视大学，重庆401520；3.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400000；4.东风小康汽车有限公司，重庆400000）

基于Optistruct的保险杠横梁拓扑优化设计

魏显坤1，2，石英3，唐清科4

（1.重庆工商职业学院，重庆401520；2.重庆广播电视大学，重庆401520；3.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400000；4.东风小康汽车有限公司，重庆400000）

基于结构优化软件Optistruct，运用拓扑优化方法，对某车保险杠横梁结构进行了拓扑优化设计，得到保险杠横梁的初步结构，为进一步的尺寸优化打下了基础。

拓扑优化；Optistruct；保险杠横梁

汽车保险杠作为重要的被动安全装置，对降低汽车低速碰撞事故中的损失有着重要作用。因此，对汽车保险杠横梁进行结构优化设计，提高吸能特性具有重要的意义。

扫描某车钢制保险杠横梁轮廓，根据数据云图建立了保险杠有限元模型。用6061铝合金替换低碳钢，基于Optistruct软件，运用拓扑优化方法得到保险杠横梁的初步结构，为下一步的尺寸优化提供了基础。

1 结构拓扑优化的流程

结构优化设计将工程结构设计与数学中的最优化理论相结合，工程师在结构设计时，可从多种方案中快速找到最优的设计方案，提高优化设计的效率[1]。拓扑优化问题就是在一定的区域内寻求最佳的材料分布问题[2-5]。拓扑优化主要用于产品开发的概念设计阶段，在结构形状未定的情况下，根据边界约束等条件优化删除低密度单元，为工程师提供最佳的材料分布，经过修改调整可初步确定零件的结构形状，为详细设计提供基础，在结构优化中得到广泛应用。本文采用变密度法对保险杠横梁进行拓扑优化设计。

结构拓扑优化的流程[6]，如图1所示。

图1 结构拓扑优化流程

2 保险杠横梁结构拓扑优化

2.1 使用CATIA构建保险杠几何模型

在CATIA软件中导入三维扫描仪扫描某车钢保险杠原型得到的点云数据，对点云预处理编辑后重组曲面，生成钢保险杠的三维模型，如图2所示。根据钢制保险杠的外形几何尺寸确定铝合金保险杠的几何尺寸。

图2 钢制保险杠几何模型

2.2 使用HYPERMESH建立保险杠横梁的有限元优化模型

保险杠是轴对称结构，为了减少运算时间，以保险杠结构的一半构建拓扑优化有限元模型。保险杠吸能盒和横梁边缘是非拓扑优化区域，中间是可拓扑优化的部分，如图3所示。中间区域以2 mm×2 mm ×2 mm的尺寸划分体网格，最外圈以2 mm×1 mm的尺寸划分体网格。单元数elems一共是515 536.节点数nodes一共是548 819.

定义铝合金材料参数如表1所示。

表1 铝合金6101材料参数

模型拓扑优化问题描述如下：

（1）目标：最小应变能。

（2）约束：体积分数，体积分数上限为0.3.约束保险杠横梁中面所有节点的Y方向的自由度，对吸能盒最外层的非优化区域的所有节点施加约束，约束XYZ三个方向的移动自由度，对保险杠横梁中间位置施加均布载荷大小为3 kN.

（3）响应：体积分数、最小应变能。

（4）设计变量：单元密度。

保险杠的拓扑优化模型，如图3所示。

图3 拓扑优化有限元模型

3 拓扑优化结果分析

将保险杠有限元模型提交求解器Optistruct求解运算，拓扑优化之后，保险杠横梁的材料分布如图4所示。根据拓扑优化计算结果，简化处理后，保险杠横梁断面结构形状如图5所示，呈目字型，和经验设计方案相符，达到预期目标。

图4 拓扑优化结果

图5 保险杠断面结构

4 结束语

（1）本文将材料替换和结构优化相结合，对某车保险杠进行了优化设计，为汽车零部件产品的轻量化设计提供了新的思路。

（2）运用拓扑优化设计初步确定横梁的材料布局，为进一步的尺寸优化打下了基础，避免结构设计的盲目性，缩短了零部件开发的时间，降低了零部件的开发成本。

[1]张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]魏显坤，米林，万鑫铭，等．基于Optistruct的铝合金半挂车车架结构拓扑优化设计[J]．四川兵工学报，2012（1）：86－89．

[3]谢涛，刘静，刘军考.结构拓扑优化综述[J].机械工程师，2006（8）：20-25

[4]罗震，陈立平，黄玉盈，等.连续体结构的拓扑优化设计[J].力学进展.2004（11）：60-63.

[5]周星亮，黄妙华.车身骨架结构拓扑优化设计综述[J].上海汽车，2008（8）：70-75.

[6]石琴，洪洋，等.拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用[J].机械设计，2005，22（2）：30-34.

Topology Optimization Design of the Bumper Beam Based on Optistruct

WEI Xian-kun1，2，SHI Ying3，TANG Qing-ke4
（1.Chongqing Technology and Business Institute，Chongqing 401520，China；2.Chongqing radio and TV university，Chongqing 401520，China；3.Chongqing Changan automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China；4.Dongfeng Xiaokang Automobile Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China）

Structural optimization based on Optistruct software，using the topology optimization method，topology optimization design of a vehicle bumper beam structure，the initial structure of bumper beam，for further size optimization and lay the foundation.■

topology optimization；optistruct；bumper beam

U463

A

1672-545X（2017）03-0014-02

2016-12-23

重庆工商职业学院科研项目（项目编号：YB2015-02）；汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助项目(31015011）

魏显坤(1985-），男，湖北十堰人，讲师，硕士，研究方向：汽车现代设计理论与方法。