達(dá)索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 張啟成

基于SOLIDWORKS Simulation的汽車轉(zhuǎn)向支架零部件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

達(dá)索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 張啟成

將CAE工具用于設(shè)計(jì)仿真的目的是為了創(chuàng)建一個(gè)即能滿足使用和加工要求，又能最小化質(zhì)量和成本的產(chǎn)品。目前大部分公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師都是基于經(jīng)驗(yàn)去改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果，這使得產(chǎn)品優(yōu)化周期變長，而且很難得到最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。以往傳統(tǒng)的加工方式也導(dǎo)致了某些設(shè)計(jì)優(yōu)化的理念因?yàn)榧庸すに嚨南拗贫鵁o法實(shí)施。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)作為一種高級的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法被越來越廣泛地應(yīng)用于汽車關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。隨著增材制造行業(yè)的發(fā)展，如三維打印等技術(shù)的推廣，突破了很多加工工藝上的瓶頸，使產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)成為可能。

一、引言

設(shè)計(jì)更加輕量化、高強(qiáng)度的產(chǎn)品一直以來是高端汽車制造業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)，如一級方程式賽車等。近些年來，很多以往的高端技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在量產(chǎn)型汽車上。隨著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展以及汽車保有量的不斷增加，社會(huì)對于燃油經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境污染和安全性等問題的關(guān)注度不斷提高。整車重量以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)?；谟邢拊治龅脑O(shè)計(jì)優(yōu)化方法讓汽車整車及零部件廠商有能力找到更加創(chuàng)新、高效的方法去創(chuàng)建更輕量化且更高可靠性的產(chǎn)品。

以往的零部件產(chǎn)品開發(fā)流程往往是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始，進(jìn)而由專業(yè)的分析工程師進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電磁或熱仿真分析，然后進(jìn)行樣機(jī)試制及檢測。當(dāng)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)入試制及檢測階段時(shí)，企業(yè)往往要付出大量的成本應(yīng)對可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及返工?；跁r(shí)間及成本因素的考慮，設(shè)計(jì)師開始越來越廣泛地采用結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程

拓?fù)鋬?yōu)化是行業(yè)中領(lǐng)先的優(yōu)化手段之一，如圖2所示。從一個(gè)初始的設(shè)計(jì)開始，產(chǎn)品研發(fā)人員借助相應(yīng)的CAE軟件，自動(dòng)進(jìn)行迭代，最終得到一個(gè)符合硬性指標(biāo)要求同時(shí)在其他方面最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化多應(yīng)用于滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，尋找材料使用最小、形狀最優(yōu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化場景中。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化得到最輕量化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

SOLIDWORKS Simulation提供了簡單易用的拓?fù)鋬?yōu)化解決方案，幫助普通結(jié)構(gòu)工程師更加簡單快速地在一個(gè)軟件環(huán)境下優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。工程師只需指定模型的材料，定義其約束條件、工作載荷以及其他關(guān)鍵性能指標(biāo)等基本CAE分析的參數(shù)，設(shè)置好目標(biāo)，SOLIDWORKS Simulation會(huì)自動(dòng)進(jìn)行迭代，直至找到最優(yōu)的結(jié)果。

二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵零部件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

接下來我們將拓?fù)鋬?yōu)化用于一個(gè)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵支架零件設(shè)計(jì)。圖3中的紅色零件是此零件以往常見的設(shè)計(jì)，分析工程師已經(jīng)對其進(jìn)行了有限元分析，其可以滿足在振動(dòng)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是目前我們對此零件提出了更高的要求，即在滿足原有使用條件的前提下，盡量降低其重量及材料成本。

圖3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵支架零件設(shè)計(jì)

三、在SOLIDWORKS中進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是基于一個(gè)已有的初始設(shè)計(jì)模型，這里我們可以看到該支架零件與周邊各零部件的連接及裝配關(guān)系，如圖4所示。

圖4 支架零件裝配環(huán)境

參考周邊已有的零部件，我們得到一個(gè)初始設(shè)計(jì)模型，如圖5所示。

圖5 支架零件初始設(shè)計(jì)模型

我們可以重用以往的歷史數(shù)據(jù)，也可以快速新建一個(gè)粗略的模型。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行迭代而找到最優(yōu)的結(jié)果。這對于創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)具有很大的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)楣こ處熢谝粋€(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品的最初階段，往往沒有歷史數(shù)據(jù)或知識可以借用，對未來的設(shè)計(jì)結(jié)果可能會(huì)有多種方案選擇，工程師會(huì)對這些選項(xiàng)進(jìn)行試探性的設(shè)計(jì)并驗(yàn)證，這無疑浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，而且無法確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

在SOLIDWORKS Simulation中選擇一個(gè)新的算例，并選擇拓?fù)渌憷＿@里軟件會(huì)引導(dǎo)用戶按照一個(gè)簡單且標(biāo)準(zhǔn)化的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。一旦進(jìn)入拓?fù)鋬?yōu)化的工作流程，用戶在指定好材料、邊界條件、負(fù)載以及優(yōu)化目標(biāo)后，軟件會(huì)進(jìn)行自動(dòng)迭代直到最優(yōu)結(jié)果產(chǎn)生。最終的結(jié)果依然在SOLIDWORKS環(huán)境下，雖然拓?fù)鋬?yōu)化的目的是為了得到一個(gè)最優(yōu)化的模型，但是用戶依然可以在SOLIDWORKS中對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整及修正，或進(jìn)行加工仿真。本文對初始零件進(jìn)行材料、邊界條件和負(fù)載的定義如圖6所示。

圖6 基本參數(shù)和條件定義

接下來就是拓?fù)鋬?yōu)化與其他設(shè)計(jì)優(yōu)化不同的地方。在拓?fù)鋬?yōu)化的流程中，用戶需要指定優(yōu)化目標(biāo)。SOLIDWORKS Simulation中允許用戶選擇最佳強(qiáng)度重量比、最小化最大位移等多種目標(biāo)。另外，考慮到加工工藝，軟件允許用戶單獨(dú)定義一些保留區(qū)域，作為強(qiáng)制保留的面，在優(yōu)化過程中禁止被移除。在進(jìn)行最終運(yùn)算之前，我們可以看到所有設(shè)置完成以后的SOLIDWORKS Simulation模型樹，所圖7所示。

圖7 Simulation模型樹

運(yùn)行算例后我們就可以看到在SOLIDWORKS Simulation中的拓?fù)鋬?yōu)化迭代情況。為了更好地了解拓?fù)鋬?yōu)化每次迭代的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可以查看收斂數(shù)據(jù)圖表，如圖8所示。

圖8 收斂數(shù)據(jù)圖表

在迭代至21次之后結(jié)果開始趨于收斂。最終我們得到一個(gè)材料質(zhì)量圖解，灰色部分為該零件初始的設(shè)計(jì)空間，而綠色部分就是經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化之后的最優(yōu)結(jié)果。這個(gè)結(jié)果可以導(dǎo)出實(shí)體或曲面模型，繼續(xù)在SOLIDWORKS中進(jìn)行設(shè)計(jì)修改或調(diào)整，由此可以得出圖9的結(jié)果。

圖9 最優(yōu)結(jié)果

四、結(jié)語

在產(chǎn)品開發(fā)早期采用設(shè)計(jì)優(yōu)化研究可以最大程度地降低因?yàn)樵O(shè)計(jì)變更造成的浪費(fèi)及返工成本。而拓?fù)鋬?yōu)化作為一項(xiàng)成熟的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，可以通過自動(dòng)迭代的方式幫助工程師得到最優(yōu)結(jié)果?？梢钥吹剑捎肧OLIDWORKS Simulation拓?fù)鋬?yōu)化，給定材料、邊界條件和負(fù)載等設(shè)置后，設(shè)定相應(yīng)的目標(biāo)，我們可以將支架零件的重量從最初的0.15kg優(yōu)化到最終的0.09kg，這無疑會(huì)顯著地縮減成本。這個(gè)結(jié)果也證明了SOLIDWORKS Simulation的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以幫助用戶成功地設(shè)計(jì)更加輕量化的汽車零部件。