基于cae分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)。該方法包括:S1.由計算機系統(tǒng)中的應用程序模塊建立優(yōu)化前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù);S2.接收基于兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到響應結(jié)果;S3.根據(jù)響應結(jié)果建立設計空間和非設計空間;S4.接收根據(jù)設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果;S5.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重建有限元網(wǎng)格模型,使用步驟S2相同的方式進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。本發(fā)明在滿足性能要求的同時實現(xiàn)了輕量化設計。
【專利說明】 基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)分析,更具體地說,涉及一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]CAE分析是機械產(chǎn)品設計過程中的一個重要環(huán)節(jié),運用CAE分析可以對產(chǎn)品進行動靜態(tài)分析、過程模擬及優(yōu)化設計。通過分析可以及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中的缺陷,減少設計的盲目性,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計由經(jīng)驗設計向優(yōu)化設計轉(zhuǎn)變,從而提高產(chǎn)品的競爭力。因而,CAE分析已經(jīng)被廣泛用于幫助工程師執(zhí)行諸如分析、仿真、設計、制造等任務。
[0003]以汽車前懸控制臂為例,該控制臂是汽車懸架系統(tǒng)的重要安全件和功能件,它直接影響懸架系統(tǒng)的性能,以致整車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)設計模式中,工程師對控制臂結(jié)構(gòu)先憑經(jīng)驗進行設計,設計分析之后再修改原設計進行減重。經(jīng)驗設計主要依賴于參照某具體車型和實驗模擬,容易造成材料盈余過多,不能達到輕量化要求。因而,期望有一種能夠更好的優(yōu)化設計方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于,針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷,提供一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng),以優(yōu)化設計實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提出一種計算機執(zhí)行的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,所述方法包括如下步驟:
[0006]S1、由計算機系統(tǒng)中的應用程序模塊建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù);
[0007]S2、接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果;
[0008]S3、根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間;
[0009]S4、接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果;
[0010]S5、根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用步驟S2中的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。
[0011]一個實施例中,所述結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)包括:彈性模量、泊松比和密度。
[0012]—個實施例中,所述響應結(jié)果包括:應力場分布、位移場分布以及一階模態(tài)頻率和振型結(jié)果。
[0013]一個實施例中,所述步驟S3進一步包括:
[0014]將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的接觸面和載荷施加部位設置為非設計空間;
[0015]將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中不影響裝配、使用、載荷施加的部位設置為設計空間。
[0016]—個實施例中,所述拓撲優(yōu)化參數(shù)包括:拓撲優(yōu)化的響應、拓撲優(yōu)化的約束條件和目標函數(shù)。
[0017]一個實施例中,所述步驟S4中采用變密度法進行拓撲優(yōu)化。
[0018]一個實施例中,所述步驟S4進一步包括:
[0019]計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值;
[0020]將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
[0021]本發(fā)明為解決其技術(shù)問題還提出一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:
[0022]第一單元,用于建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù);
[0023]第二單元,用于接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果;
[0024]第三單元,用于根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間;
[0025]第四單元,用于接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果;
[0026]第五單元,用于根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用所述第二單元接收的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。
[0027]—個實施例中,所述第四單元采用變密度法進行拓撲優(yōu)化。
[0028]一個實施例中,所述第四單元進一步用于計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值,將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
[0029]本發(fā)明通過拓撲優(yōu)化設計實現(xiàn)減輕產(chǎn)品的重量,在滿足性能要求的同時實現(xiàn)了輕量化設計。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明,附圖中:
[0031]圖1是本發(fā)明一個實施例的計算機執(zhí)行的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的流程圖;
[0032]圖2是本發(fā)明一個實施例中優(yōu)化前的汽車前懸控制臂的有限元網(wǎng)格模型的示意圖;
[0033]圖3a是圖2所示的汽車前懸控制臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的非設計空間的示意圖;
[0034]圖3b是圖2所示的汽車前懸控制臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的設計空間的示意圖;
[0035]圖4是本發(fā)明一個實施例中優(yōu)化后的汽車前懸控制臂的有限元網(wǎng)格模型的示意圖;
[0036]圖5a是圖2所示的優(yōu)化前汽車前懸控制臂在第一工況下的應力分布示意圖;
[0037]圖5b是圖4所示的優(yōu)化后汽車前懸控制臂在第一工況下的應力分布示意圖;
[0038]圖6a是圖2所示的優(yōu)化前汽車前懸控制臂的約束狀態(tài)一階模態(tài)頻率示意圖;
[0039]圖6b是圖4所示的優(yōu)化后汽車前懸控制臂的約束狀態(tài)一階模態(tài)頻率示意圖;
[0040]圖7是本發(fā)明一個實施例的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的邏輯框圖。
【具體實施方式】
[0041]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
[0042]圖1示出了本發(fā)明一個實施例的計算機執(zhí)行的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法100的流程圖。該實施例以汽車前懸控制臂作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個具體示例,但是很顯然這不是對本發(fā)明的具體限定。具體如圖1所示,該方法100包括如下步驟:
[0043]步驟SlOl中,由計算機系統(tǒng)中的應用程序模塊建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)。具體實施例中,該步驟SlOl包括通過結(jié)構(gòu)的CAD模型建立有限元網(wǎng)格模型,如圖2所示,并讀入結(jié)構(gòu)的材料參數(shù),該材料參數(shù)至少包括彈性模量、泊松比和密度。
[0044]隨后步驟S102中,接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。本發(fā)明在該步驟中選待優(yōu)化產(chǎn)品的兩種工作狀態(tài)下的工況進行加載,設置靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應力場分布(如圖5a所示)、位移場分布以及一階模態(tài)頻率和振型結(jié)果(如圖6a所示)。
[0045]隨后步驟S103中,根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間。具體來說,將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的接觸面和載荷施加部位設置為非設計空間,如圖3a所示,將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中不影響裝配、使用、載荷施加的部位設置為設計空間,如圖3b所示,后續(xù)僅針對設計空間進行優(yōu)化。
[0046]隨后步驟S104中,接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果。
[0047]—個具體實施例中,可以采用OptiStruct軟件進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化,在給定的設計空間內(nèi)尋求最佳的材料分布。優(yōu)化過程中需要合理地設置拓撲優(yōu)化參數(shù),如定義拓撲優(yōu)化的響應、拓撲優(yōu)化的約束條件和目標函數(shù)。以圖2所示的汽車前懸控制臂為例,控制臂的整體應力較小,結(jié)構(gòu)有較大的冗余空間??刂票鄣墓逃蓄l率對懸架系統(tǒng)的振動有較大的影響,因此在控制臂設計中,一般要求控制臂的一階彈性體固有頻率大于800Hz,約束狀態(tài)下一階固有頻率大于350Hz。以最大化結(jié)構(gòu)剛度為優(yōu)化目標,考慮拔模制造約束和一階固有頻率要求,定義拓撲優(yōu)化參數(shù)。
[0048]—個具體實施例中,本發(fā)明采用變密度法進行拓撲優(yōu)化。通過OptiStruct建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析后,獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值,然后將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。通常單元密度閥值設為0.3時,結(jié)構(gòu)較完整且材料分布較連續(xù)。將單元密度值大于0.3的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的控制臂結(jié)構(gòu)。
[0049]隨后步驟S105中,根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用步驟S102中的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。
[0050]具體來說,對于步驟S104中得到的優(yōu)化結(jié)果,需要基于制造工藝易于實現(xiàn)的原貝U,根據(jù)該優(yōu)化結(jié)果重建結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型,如圖4所示。與圖2所示的優(yōu)化前的控制臂結(jié)構(gòu)相比,圖4所示的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重量較優(yōu)化前減少了約33%。然后按照步驟S102中相同的加載方式,對優(yōu)化后的模型實施靜力和模態(tài)分析,獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜力學和動力學響應結(jié)果。圖5a和圖5b對比了優(yōu)化前后汽車前懸控制臂在同一種工況下的應力分析結(jié)果。結(jié)果表明,優(yōu)化后最大應力從14.2MPa降低到12.2MPa,結(jié)構(gòu)的剛強度有所提高。圖6a和圖6b對比了優(yōu)化前后汽車前懸控制臂在同一種工況下的模態(tài)分析結(jié)果。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)一階固有頻率為405Hz,滿足要求。
[0051]本發(fā)明通過上述方法100,能夠達到減輕產(chǎn)品重量的目的,在滿足結(jié)構(gòu)靜力學和動力學要求的基礎(chǔ)上,節(jié)省了材料,提高了材料利用率,節(jié)約了成本,符合當今社會輕量化設計要求。
[0052]基于以上所描述的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,本發(fā)明還提出一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)。圖7示出了本發(fā)明一個實施例的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)200的邏輯框圖。如圖7所示,該系統(tǒng)200包括第一單元201、第二單元202、第三單元203、第四單元204和第五單元205。其中,第一單元201用于建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)。第二單元202用于接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。第三單元203用于根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間。第四單元204用于接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果。第五單元205用于根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用所述第二單元接收的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。具體實施例中,第四單元204采用變密度法進行拓撲優(yōu)化,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值,然后將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)200的各個單元分別用于實現(xiàn)前述的方法100的各個步驟,其具體操作可參見方法100,在此不再贅述。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種計算機執(zhí)行的基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,其特征在于,所述方法包括如下步驟: 51、由計算機系統(tǒng)中的應用程序模塊建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù); 52、接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果; 53、根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間; 54、接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果; 55、根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用步驟S2中的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)包括:彈性模量、泊松比和密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述響應結(jié)果包括:應力場分布、位移場分布以及一階模態(tài)頻率和振型結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟S3進一步包括: 將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的接觸面和載荷施加部位設置為非設計空間; 將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中不影響裝配、使用、載荷施加的部位設置為設計空間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述拓撲優(yōu)化參數(shù)包括:拓撲優(yōu)化的響應、拓撲優(yōu)化的約束條件和目標函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟S4中采用變密度法進行拓撲優(yōu)化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所述步驟S4進一步包括: 計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值; 將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
8.一種基于CAE分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括: 第一單元,用于建立優(yōu)化前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,并接收結(jié)構(gòu)的材料參數(shù); 第二單元,用于接收基于所述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)下的工況定義的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對所述有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果; 第三單元,用于根據(jù)所述響應結(jié)果建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計空間和非設計空間; 第四單元,用于接收根據(jù)所述設計空間和非設計空間以及結(jié)構(gòu)載荷和響應結(jié)果定義的拓撲優(yōu)化參數(shù),建立拓撲優(yōu)化模型,完成優(yōu)化分析,得到優(yōu)化結(jié)果; 第五單元,用于根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果重建優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型,使用所述第二單元接收的靜力分析和約束狀態(tài)下模態(tài)分析的邊界條件和載荷,對重建的有限元網(wǎng)格模型進行加載,計算得到優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的響應結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第四單元采用變密度法進行拓撲優(yōu)化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第四單元進一步用于計算得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的單元密度值,將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中單元密度值大于特定閾值的部分保留,其余部分去除,從而得到優(yōu)化 后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G06F17/50GK104077434SQ201410253411
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】周志平, 都政, 熊超超, 李健來, 井革新, 鄭毅, 徐穎俊, 靳紹巍, 陳遠磊 申請人:國家超級計算深圳中心(深圳云計算中心), 深圳云計算中心有限公司