CN104077434A - 基于cae分析的产品结构优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CAE分析的产品结构优化方法和系统。该方法包括：S1.由计算机系统中的应用程序模块建立优化前产品结构的有限元网格模型，接收结构的材料参数；S2.接收基于两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对有限元网格模型进行加载，计算得到响应结果；S3.根据响应结果建立设计空间和非设计空间；S4.接收根据设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果；S5.根据优化结果重建有限元网格模型，使用步骤S2相同的方式进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。本发明在满足性能要求的同时实现了轻量化设计。

Description

基于CAE分析的产品结构优化方法和系统

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)分析，更具体地说，涉及一种基于CAE分析的产品结构优化方法和系统。

背景技术

CAE分析是机械产品设计过程中的一个重要环节，运用CAE分析可以对产品进行动静态分析、过程模拟及优化设计。通过分析可以及早发现产品设计中的缺陷，减少设计的盲目性，使产品结构设计由经验设计向优化设计转变，从而提高产品的竞争力。因而，CAE分析已经被广泛用于帮助工程师执行诸如分析、仿真、设计、制造等任务。

以汽车前悬控制臂为例，该控制臂是汽车悬架系统的重要安全件和功能件，它直接影响悬架系统的性能，以致整车的行驶平顺性和操纵稳定性。在传统设计模式中，工程师对控制臂结构先凭经验进行设计，设计分析之后再修改原设计进行减重。经验设计主要依赖于参照某具体车型和实验模拟，容易造成材料盈余过多，不能达到轻量化要求。因而，期望有一种能够更好的优化设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于CAE分析的产品结构优化方法和系统，以优化设计实现产品的轻量化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种计算机执行的基于CAE分析的产品结构优化方法，所述方法包括如下步骤：

S1、由计算机系统中的应用程序模块建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数；

S2、接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果；

S3、根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间；

S4、接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果；

S5、根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用步骤S2中的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。

一个实施例中，所述结构的材料参数包括：弹性模量、泊松比和密度。

一个实施例中，所述响应结果包括：应力场分布、位移场分布以及一阶模态频率和振型结果。

一个实施例中，所述步骤S3进一步包括：

将产品结构的接触面和载荷施加部位设置为非设计空间；

将产品结构中不影响装配、使用、载荷施加的部位设置为设计空间。

一个实施例中，所述拓扑优化参数包括：拓扑优化的响应、拓扑优化的约束条件和目标函数。

一个实施例中，所述步骤S4中采用变密度法进行拓扑优化。

一个实施例中，所述步骤S4进一步包括：

计算得到产品结构优化后的单元密度值；

将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。

本发明为解决其技术问题还提出一种基于CAE分析的产品结构优化系统，所述系统包括：

第一单元，用于建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数；

第二单元，用于接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果；

第三单元，用于根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间；

第四单元，用于接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果；

第五单元，用于根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用所述第二单元接收的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。

一个实施例中，所述第四单元采用变密度法进行拓扑优化。

一个实施例中，所述第四单元进一步用于计算得到产品结构优化后的单元密度值，将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。

本发明通过拓扑优化设计实现减轻产品的重量，在满足性能要求的同时实现了轻量化设计。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的计算机执行的基于CAE分析的产品结构优化方法的流程图；

图2是本发明一个实施例中优化前的汽车前悬控制臂的有限元网格模型的示意图；

图3a是图2所示的汽车前悬控制臂结构优化过程中的非设计空间的示意图；

图3b是图2所示的汽车前悬控制臂结构优化过程中的设计空间的示意图；

图4是本发明一个实施例中优化后的汽车前悬控制臂的有限元网格模型的示意图；

图5a是图2所示的优化前汽车前悬控制臂在第一工况下的应力分布示意图；

图5b是图4所示的优化后汽车前悬控制臂在第一工况下的应力分布示意图；

图6a是图2所示的优化前汽车前悬控制臂的约束状态一阶模态频率示意图；

图6b是图4所示的优化后汽车前悬控制臂的约束状态一阶模态频率示意图；

图7是本发明一个实施例的基于CAE分析的产品结构优化系统的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一个实施例的计算机执行的基于CAE分析的产品结构优化方法100的流程图。该实施例以汽车前悬控制臂作为产品结构优化的一个具体示例，但是很显然这不是对本发明的具体限定。具体如图1所示，该方法100包括如下步骤：

步骤S101中，由计算机系统中的应用程序模块建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数。具体实施例中，该步骤S101包括通过结构的CAD模型建立有限元网格模型，如图2所示，并读入结构的材料参数，该材料参数至少包括弹性模量、泊松比和密度。

随后步骤S102中，接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果。本发明在该步骤中选待优化产品的两种工作状态下的工况进行加载，设置静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，计算得到产品结构的应力场分布(如图5a所示)、位移场分布以及一阶模态频率和振型结果(如图6a所示)。

随后步骤S103中，根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间。具体来说，将产品结构的接触面和载荷施加部位设置为非设计空间，如图3a所示，将产品结构中不影响装配、使用、载荷施加的部位设置为设计空间，如图3b所示，后续仅针对设计空间进行优化。

随后步骤S104中，接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果。

一个具体实施例中，可以采用OptiStruct软件进行结构拓扑优化，在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布。优化过程中需要合理地设置拓扑优化参数，如定义拓扑优化的响应、拓扑优化的约束条件和目标函数。以图2所示的汽车前悬控制臂为例，控制臂的整体应力较小，结构有较大的冗余空间。控制臂的固有频率对悬架系统的振动有较大的影响，因此在控制臂设计中，一般要求控制臂的一阶弹性体固有频率大于800Hz，约束状态下一阶固有频率大于350Hz。以最大化结构刚度为优化目标，考虑拔模制造约束和一阶固有频率要求，定义拓扑优化参数。

一个具体实施例中，本发明采用变密度法进行拓扑优化。通过OptiStruct建立拓扑优化模型，完成优化分析后，获得产品结构优化后的单元密度值，然后将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。通常单元密度阀值设为0.3时，结构较完整且材料分布较连续。将单元密度值大于0.3的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的控制臂结构。

随后步骤S105中，根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用步骤S102中的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。

具体来说，对于步骤S104中得到的优化结果，需要基于制造工艺易于实现的原则，根据该优化结果重建结构有限元网格模型，如图4所示。与图2所示的优化前的控制臂结构相比，图4所示的优化后结构重量较优化前减少了约33％。然后按照步骤S102中相同的加载方式，对优化后的模型实施静力和模态分析，获得产品结构的静力学和动力学响应结果。图5a和图5b对比了优化前后汽车前悬控制臂在同一种工况下的应力分析结果。结果表明，优化后最大应力从14.2MPa降低到12.2MPa，结构的刚强度有所提高。图6a和图6b对比了优化前后汽车前悬控制臂在同一种工况下的模态分析结果。优化后结构的约束状态一阶固有频率为405Hz，满足要求。

本发明通过上述方法100，能够达到减轻产品重量的目的，在满足结构静力学和动力学要求的基础上，节省了材料，提高了材料利用率，节约了成本，符合当今社会轻量化设计要求。

基于以上所描述的基于CAE分析的产品结构优化方法，本发明还提出一种基于CAE分析的产品结构优化系统。图7示出了本发明一个实施例的基于CAE分析的产品结构优化系统200的逻辑框图。如图7所示，该系统200包括第一单元201、第二单元202、第三单元203、第四单元204和第五单元205。其中，第一单元201用于建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数。第二单元202用于接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果。第三单元203用于根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间。第四单元204用于接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果。第五单元205用于根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用所述第二单元接收的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。具体实施例中，第四单元204采用变密度法进行拓扑优化，计算得到产品结构优化后的单元密度值，然后将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。系统200的各个单元分别用于实现前述的方法100的各个步骤，其具体操作可参见方法100，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种计算机执行的基于CAE分析的产品结构优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、由计算机系统中的应用程序模块建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数；

S2、接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果；

S3、根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间；

S4、接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果；

S5、根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用步骤S2中的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构的材料参数包括：弹性模量、泊松比和密度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应结果包括：应力场分布、位移场分布以及一阶模态频率和振型结果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

将产品结构的接触面和载荷施加部位设置为非设计空间；

将产品结构中不影响装配、使用、载荷施加的部位设置为设计空间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拓扑优化参数包括：拓扑优化的响应、拓扑优化的约束条件和目标函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中采用变密度法进行拓扑优化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

计算得到产品结构优化后的单元密度值；

将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。

8.一种基于CAE分析的产品结构优化系统，其特征在于，所述系统包括：

第一单元，用于建立优化前的产品结构的有限元网格模型，并接收结构的材料参数；

第二单元，用于接收基于所述产品结构的两种工作状态下的工况定义的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对所述有限元网格模型进行加载，计算得到产品结构的响应结果；

第三单元，用于根据所述响应结果建立产品结构的设计空间和非设计空间；

第四单元，用于接收根据所述设计空间和非设计空间以及结构载荷和响应结果定义的拓扑优化参数，建立拓扑优化模型，完成优化分析，得到优化结果；

第五单元，用于根据所述优化结果重建优化后的产品结构的有限元网格模型，使用所述第二单元接收的静力分析和约束状态下模态分析的边界条件和载荷，对重建的有限元网格模型进行加载，计算得到优化后的产品结构的响应结果。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第四单元采用变密度法进行拓扑优化。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第四单元进一步用于计算得到产品结构优化后的单元密度值，将产品结构中单元密度值大于特定阈值的部分保留，其余部分去除，从而得到优化后的产品结构。