现代有限元分析和结构优化
传统设计是一种基于经验的设计方法，不可避免地出现盲目性。

设计中实际上采用的是尝试的方法，一种方法不行，再试另外一种方法。

随着汽车技术的发展，车身结构趋于轻量化设计。

传统上的采用加厚钣金件厚度等提高强度的方法已经被淘汰。

这样做不仅费时，也造成了不必要人力和财力的浪费。

随着现代有限元技术和设计理念的发展，更多地借助于计算技术来完成相关的设计。

本文基于OptiStruct软件，针对某越野车后掀们原设计强度不足的问题，采用OptiStruct进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高结构强度。

2 有限元模型的建立
2.1 有限元网格划分
模型前处理采用Altair HyperMesh软件。

针对后掀门为钣金结构的特点，网格划分采用四边形网格，在过渡区域采用适当个数的三角形单元。

建立的模型如图所示。

模型信息如表所示。

图1原设计结构的有限元模型图2原设计结构有限元分析的边界条件
表1有限元模型规模信息
- NODE NUM ELEM NUM
数量148281 143943
2.2 有限元载荷和边界条件
计算中，在后掀门中间位置上（最为危险的位置）。

在相应位置上施加由上述载荷产生的作用力。

如图所示，后掀门在安装点通过销结构进行装配。

有限元计算分析时，约束四个安装销处的平动自由度。

从而建立某越野车后掀门结构的约束系统。

2.3 材料模型
建立有限元模型时，采用MAT1材料模型进行材料建模，材料相关参数如表所示。

表2材料STEEL的参数
3 结构强度计算分析
载荷和边界条件如前所述，原设计结构应变和应力云图分别如图3和图4所示，最大形变位移和最大应力如表3所示。

原设计的最大应力达到了
498MPa,而材料的抗拉强度为540MPa~695MPa，这个应力值已经大于材料的屈服极限，接近抗拉强度，可以说结构的设计在某种程度说存在问题。

需要修改设计。

图3原设计形变位移云图图图4 原设计应力云
表 3 结构的最大应力和最大形变位移及约束反力的比较
4 模态计算分析
为了评价结构的模态振动特性，进行结构的自由模态和约束模态分析。

自由模态采用自由-自由边界条件，而约束模态采用的约束条件和结构强度分析相同。

OptiStruct求解器默认采用Lanczos算法进行结构振动平衡方程特征值提取，进而计算出结构的振动频率。

某越野车后掀门的前六阶模态频率如表4所示。

表 4 四种结构的自由模态和约束模态的模态频率
5 结构优化设计
5.1 OptiStruct优化方法
结构优化问题就是在一定的约束条件下（约束函数constraint function）通过对结构设计参数（设计变量design variable）进行优化，使结构满足一定的设计目标（目标函数object function）。

因此结构优化问题可以归结为设定优化目标、选取优化参数、定义约束条件三个因素系统规划的过程。

OptiStruct软件是具有强大的优化的工具。

在拓扑优化和形貌优化上都具有良好的实现功能。

OptiStruct软件能解决如下类型的结构优化问题：
目标函数：minf(x)=f(x1,x2,…，xn)
约束函数：gj(x) ≤0; j=1,2,…m
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n OptiStruct
除了能解决上述的结构优化问题以外，也可以实现Minmax（Maxmin）这类结构优化问题求解。

Minmax优化问题可以按照如下方式进行描述：
目标函数：min{max[f1(x)/f1,f2(x)/f2,…,fk(x)/fk]}
约束函数：gj(x) ≤0; j=1,2,…m
xiL≤xi≤xiu,i=1,2,…,n
其中fk为参考值。

5.2 后掀门结构优化设计
如前分析，后掀门的在进行强度计算时，最大应力为598Mpa。

强度不能满足设计要求。

但是为了不增加重量，不能采取传统的增加料厚的方法提高强度。

钣金件设计中，加筋是一个提高结构强度的很有效方法。

而OptiStruct软件提供了强大的拓扑形貌优化工具。

针对钣金件加筋优化设计，其可以定义起筋的方向，筋的高度，拔模角等参数，并且一定方式进行筋分布，如平行阵列、对称阵列、循环对称阵列。

因此针对某越野车后掀门结构强度不足的问题。

在进行结构优化改进设计时采取加筋的方法。

进行优化时，以单元应力作为优化目标，这样就成为一个minmax优化问题。

定义加筋的优化变量时，使加强筋沿着XZ平面对称，并沿X方向平行分布。

按照上述定义进行优化分析处理，并考虑到工艺和实际设计的边界条件，重新设计的结构如图所示。

=
图 5 某越野车后掀门优化设计后的结构
5.3 后掀门优化结构的有限元分析
为了验证优化结果的可行性和有效性，对优化后的结构进行了和优化前结构
相同的载荷和边界条件强度和模态分析。

分析结果见表。

可以看出，优化后的结构最大应力由原来的598.00减小为152.23Mpa，应力减小了近3倍，强度满足设计要求。

形变位移由原来的26.20mm，减小为6.21mm，形变位移减小了近4倍。

从上面的比较可以看出，优化后的后掀门结构强度和刚度都有显著提高，从而满足设计要求。

图6优化设计后结构的形变位移云图图7优化设计后的结构应力云图
6 结论
本文运用现代有限元理论和方法，对某越野车进行强度分析和结构优化。

从整个分析过程中，可以得出如下结论：
⑴采用现代有限元方法，可以改进设计方法和设计思路，使设计流程科学化和现代化。

⑵采用适当的优化方法，在不增加结构重量的同时，改善结构的性能，满足当今汽车行业轻量化发展需求，符合社会发展趋势。

⑶Altair系列软件提供了一个高效的前处理、求解计算、后处理工具包，为CAE工程师工作提供了CAE分析系统解决方案。