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本文为Altair solidThinking™优化设计大赛投稿作品，作者为技术邻用户：孙正峰，倘若爱好务必点击文末 阅读原文 投上宝贵的一票哦！
0、引言
随着汽车节能减排需求的加强，汽车轻量化势在必行。
前端框架做为汽车功能部件之一，集成多种环境件（散热器、锁扣、大灯、防撞梁等），性能需求非常高，从以往的金属前端到此刻的塑性前端，发展趋势越来越显著。因此呢，前端框架的轻量化迫在眉睫，在满足功能指标的前提下，重量最轻作为关键。
1、拓扑优化技术
日前仿真优化的软件非常多，优化办法亦非常多，本文就不一一列举了。本文重点介绍无网格划分优化软件Inspire，能够进行拓扑优化、形貌优化、厚度优化等，前处理免除了网格划分繁琐的时间，后处理办法亦非常灵活方便，同OptiSturct优化办法一致。
本文借助某项日前端框架，前期设计提前采取拓扑优化，以符合满足性能指标，同期满足轻量化需求。
首要采用Inspire进行无网格拓扑优化，接着运用一样的拓扑优化办法（包含边界要求、目的指标等），在OptiStruct中进行有网格的拓扑优化分析，最后进行二者对比，得出结论。
2、Inspire无网格拓扑优化
某款前端框架几何模型如图1所示：
图1 前端框架几何模型
该前端框架处在制品设计开发周期，按照拓扑优化结果可指点制品结构设计，以满足功能指标及减肥需求。
按照环境件确定前端框架基本造型，此次拓扑优化处在制品前期设计周期，因此呢，可优化的空间很大。
将前端框架几何模型导入Inspire软件中，在几何界面下对其进行分区（设计区和非设计区），这次分析因为是处在前期设计周期，因此呢，无进行仔细的分区，仅将吸能盒连接的螺栓孔进行分割为非设计区，其余部位均为设计区，而环境件（防撞梁等金属部件）均做为非设计区。
其次，设置材料，因为材料库中无PP+30GF，因此呢需要添加，详细材料属性如表1所示：
表1 前端框架及其环境件材料属性
载荷工况及边界要求如下：
Case1：常温23℃，前锁罩刚度，+X向，锁扣受力，1000N；
Case2：常温23℃，前锁罩刚度，+Z向，锁扣受力，1000N；
Case3：常温23℃，前锁罩强度，-Z向，锁扣受力，2500N，最大应力少于其拉伸强度的0.8倍；
Case4：常温23℃，一阶固有频率，约束模态（带散热器总成质量）；
Case5：高温80℃，散热器安装点刚度，+X向，600N（150N×4）；-Z向，600N（300N×2）。
约束：与车身连接处固定约束；
连接：金属部件之间及与前防撞横梁的连接采用刚性连接及焊接处理。
优化设置如下所示：
掌控要求：各个工况下的位移变形，一阶固有频率，前锁罩强度。
约束要求：F+X=1000N，X向：锁扣最大变形量≤7mm；
F+Z=1000N，Z向：锁扣最大变形量≤2mm；
F-Z=2500N，塑料支架最大应力≤62×0.8≈50MPa；
一阶固有频率（带散热器总成质量）≥35Hz。
X向：散热器安装点最大变形量≤1mm；
Z向：散热器安装点最大变形量≤1mm。
目的：设计区域质量最小。
说明：因为散热器安装点刚度是在高温80℃要求下进行的，其材料物性区别于其他常温工况23℃，因此呢需单独进行拓扑优化分析，最后结合常温其余工况拓扑优化分析结果整合3D数据。
在Inspire软件中，根据与车身连接处固定约束，并采用单向拔模掌控，对防撞梁施加曲面绑定接触，锁扣位置创立锁扣拉钩点，将锁扣与3个锁孔耦合；散热器质心处创立施力点，并与散热器安装孔耦合，载荷根据以上工况施加，约束要求根据响应工况进行约束。
Inspire软件中模型设置如图2所示：
图2 Inspire中前端框架总成模型设置图示
重视：这次选取的单位为MPA(mm t N s)
优化设置的质量目的为：最小质量；应力约束最小安全系数为1.2；约束模态最小频率为35Hz，如图3所示：
图3 Inspire拓扑优化设置
常温工况下，Inspire拓扑优化结果如图4所示：
图4 常温工况下，Inspire拓扑优化结果
由图4能够看出，Inspire拓扑优化后的一阶固有频率为35.2Hz，满足目的需求＞35Hz。
Inspire拓扑优化前后质量如图5所示：
图5 常温工况下，Inspire拓扑优化前后质量
由图5能够看出，Inspire拓扑优化前后本体质量由1.642e-002t减肥至1.606e-003t（因为无进行非常知道的分区，有些环境件安装部位亦被减掉了，后期制品设计需加上），减肥效果显著，并且得出力的最佳传递路径。
同理，散热器安装点刚度根据类似办法，只是高温PP+GF30材料物性不同样，其弹性模型E=2255MPa，其拓扑优化结果如图6所示：
图6 高温下，Inspire散热器安装点刚度拓扑优化
3、OptiStruct拓扑优化
在HyperMesh中采用与Inspire相同的分区办法（即只把与吸能盒连接的螺钉孔做为非设计区），再在HyperMesh中前处理网格模型，网格体积为2.5m，网格类型为3D四面体单元，在OptiStruct中采用与Inspire软件相同的设置办法（边界要求、接触、载荷工况、优化约束要求等），最后进行求解分析，其拓扑优化结果如图7所示：
图7 常温下，OptiStruct拓扑优化结果
同理，散热器安装点刚度根据类似办法，只是高温PP+GF30材料物性不同样，其弹性模型E=2255MPa，其拓扑优化结果如图8所示：
图8 高温下，OptiStruct散热器安装点刚度拓扑优化
4、Inspire和OptiStruct拓扑优化对比结果
常温下，Inspire和OptiStruct拓扑优化对比结果如图9所示：
图9 常温下，Inspire和OptiStruct拓扑优化对比结果
由图9能够看出，Inspire和OptiStruct拓扑优化结果非常类似，重点的力学传递路径相同，只是局部细节有细微的差别。
高温下，Inspire和OptiStruct拓扑优化对比结果如图10所示：
图10 高温下，Inspire和OptiStruct散热器刚度拓扑优化对比结果
由图10能够看出，除了OptiStruct中保存了非设计区外，Inspire和OptiStruct拓扑优化结果非常类似。
5、结论
Inspire和OptiStruct拓扑优化结果相识度达95%以上，且均符合力的最优传递路径，只是局部细节有所区别，其原由有以下几点：
第1、Inpire无网格拓扑优化模型无进行详细的分区，因此呢二者在保存材料方面有细微的差别；
第2、Inpire无网格划分后台程序采用的是六面体为主，多面体为辅的网格划分办法，而OptiStruct采用的是四面体网格划分；
第3、Inpire采用默认网格单元尺寸模式，厚度约束为10mm（单元越小，计算时间越长），而OpriStruct网格单元尺寸为2.5mm。
最后，结合Inspire和OptiStruct拓扑优化结果，前端框架总成3D数据如图11所示：
图11 前端框架总成拓扑优化3D数据
结论：Inspire无网格拓扑优化，操作非常方便，省去了画网格的繁琐时间，给用户带来的极重的便利，并且其拓扑优化结果与OptiStruct结果一致，相比OptiStruct，Inspire软件无网格拓扑优化优良如下：
1、优化时间：Inspire从导入模型到最后得到拓扑优化结果不到5个小时（常温和高温的拓扑优化），而OptiStruct从几何清理3D数据，到网格划分，最后得到拓扑优化结果需要大约3天时间（常温和高温拓扑优化，并且夜晚挂机计算），因此呢，Inspire的效率是非常非常高的。Inspire为前期结构设计带来非常大的优良，同期节约了海量时间。
2、优化精度：Inspire无网格优化与OptiStruct相识度高达95%以上。
3、可操作性：Inspire无网格优化采用中文界面，操作相比OptiStruct更为简便，通俗易懂。
展望：Inspire无网格拓扑优化在必定程度上能够满足绝大都数制品的设计需要，然则针对多目的拓扑优化，例如变速箱多目的拓扑优化：
，尚未找到关联功能，期盼后期能够运用。
说明：此款前端框架为前期设计，这里版结构满足功能指标的基本上，接着会进行散热器通风热分析，以保证散热效果，后期会结合二者进行结构适当调节。
-END-
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发表于 2024-10-10 05:07:24