基于OptiStruct的复合材料发动机罩结构轻量化设计

陈 越，张 蕾

1 引言

近年来，节能环保理念的不断深入人心，凭工程师的传统经验对产品结构的设计已逐步被现代优化设计技术所替代。基于现代优化设计的目的在于保持结构性能不变的基础上，对产品结构的力学性能改进或减少材料的使用[1-3]。因此，运用现代优化技术或材料轻量化设计技术在尖端工程结构领域中的研发、设计及改进等具有重要的意义[4]。发动机罩壳作为车身的主要覆盖件之一，是汽车结构的重要组成部分，主要作用是保护发动机舱内零部件地正常运转。然而，发动机罩壳的力学特性对整车具有重要的作用，能直接影响车辆前部的安全性能。因此，在发动机罩结构设计阶段就应充分考虑发动机罩的刚度和模态等综合力学性能[5-7]。对于发动机罩而言，因形状尺寸与整车造型相关联，对其结构性能的改进设计主要在于材料和厚度的改进。文献[8]将原发动机罩的钢板用铝板替换后，以内外板厚为优化变量，以刚度为约束条件，以总质量为目标，与原钢板发动机罩相比，质量降低了32%。

以某公司汽车发动机罩为研究对象，将发动机罩的材料由碳纤维复合材料替代普通碳钢，验证复合材料在结构模型中的轻材质性，复合材料的发动机罩的自由形状优化，使结构改善性能的同时实现结构的轻量化设计。首先，运用HyperMesh对由Catia设计的发动机罩壳进行有限元网格的划分，并基于HyperLaminate进行法线方向的复合材料模型构建。然后，依据以柔度最小化为目标函数，优化前后体积比为约束条件的优化模型，进行自由形状优化设计，使发动机罩实现轻量化设计的同时改善结构的力学性能。……