汽车电动踏板挤出薄壁件结构优化（一）

                                                                    祁宙

1. 前言

汽车电动踏板是一款新型车载电动产品，主要用于大型SUV、MPV、房车、校车、中巴等底盘较高的车型，通过加装电动踏板，降低使用者上下车的踩踏高度，尤其方便老年人、儿童、女士上下车，是一种人性化的配置。目前国内有很多主机厂在推动电动踏板前装，预计在2019年该产品会大量上市，电动踏板配置会成为SUV、MPV车型竞争的一个亮点。

电动踏板产品主要由三大部分构成：电机、运动机构、面板。其中面板主要用来承载乘车人重量，面板刚度弱会导致过大的下沉量，影响用户体验。另外，面板体积大，重量占到整个产品重量的30%~40%，对产品重量和材料成本有至关重要的影响。因此必须对面板刚强度进行精细化设计，在满足刚度要求情况下，重量达到最轻，经济效益最佳。

                                                         图1 电动踏板产品图

2. 薄壁挤出件

电动踏板的面板材质为铝合金，加工工艺为挤出成型：将铝合金加热到一定温度通过模具推挤，得到特定形状的薄壁件产品。该成型工艺的特点是产品沿垂直断面方向成型，沿成型方向壁厚一致，因此断面优化设计是产品开发的关键。

薄壁挤出件截面优化存在如下两个问题：1）最优解问题，依据经验设计，断面设计的可行解非常多，需要在众多可行解中找出最优解；2）薄壁件厚度分配问题，按需分配材料厚度，进行断面尺寸非等厚设计，充分发挥材料作用。

本文旨在解决薄壁壳体结构的设计问题：搜索最优截面、非等厚截面设计，达到刚质比最优。该方法同样可适用于汽车固定踏板、行李架等薄壁挤出件。

3. 挤出件结构优化

针对某主机厂已量产产品，对面板进行优化设计，提升产品刚度。

3.1 设计空间

依据功能性需求，将零件划分为可设计区域和非设计区域，见下图

                                                  图2 设计空间示意图

3.2 工况定义

考虑到面板踩踏性能，设置8个加载工况，踩踏重量150kg，评估踏板刚度。

                                                   图3 工况定义

3.3 截面拓扑优化

设计变量：采用变密度法，将设计域单元属性作为设计变量；

优化目标：将八个工况的最小加权柔度作为优化目标，设置不同加权系数；

约束条件：体积分数20%；

                                                        图4 拓扑优化概念图

通过拓扑优化得到了挤出截面的最优概念图，可以依据此概念图布置加强筋，重构三维模型。但是拓扑优化后的模型，并不包含完整的壁厚信息，因此还需进一步优化截面各区域壁厚。

3.4 厚度自由尺寸优化

由于挤出工艺可以允许不均匀壁厚，因此可以将薄壁件划分为不同区域，通过设定不同区域的厚度来实现最佳刚质比，但问题是如何将整个部件合理划分区域？借助自由尺寸优化方法，可以得到合理的壁厚分区，用于下一步尺寸优化。

自由尺寸优化将所有单元的厚度作为设计变量，通过优化，可以得到各区域的厚度值，为下一步设计提供参考。

设计变量：设计域的面单元属性；

优化目标：模型质量最小；

约束条件：外边缘踩踏工况的最大变形量；

通过自由尺寸优化计算，导入优化结果，得到如下图所示的厚度分区，符合力学原理，左端根部约束区域厚度较厚，左端悬臂支撑区域厚度也比较厚。

                                                     图5 自由尺寸优化结果

3.5 厚度尺寸优化

考虑实际挤出工艺，将整个产品离散为如下图所示的25块均匀的区域，以这25块区域的壁厚作为尺寸变量，通过尺寸优化方法求解最佳的壁厚分布。

                                                                  图6 壁厚离散化

设计变量：25块区域的厚度，25个设计变量；

优化目标：模型质量最小；

约束条件：外边缘踩踏工况的最大变形量；

通过尺寸优化计算，导入优化结果，得到如下图所示的厚度分区，与自由尺寸优化结果类似，从侧面映证了优化结果的合理性。

                                                      图7 尺寸优化结果

3.6 优化结果对比

依据尺寸优化的结果重构三维模型，如下图所示，结构差异较大，分别对这两个结构进行刚度计算。

                                                                 图8 优化前后结构对比

                                                        图9 优化前后下沉量对比

 优化前后参数对比 表1

方案对比	下沉量 mm	断面面积 mm^2	质量    kg	刚质比 1000/(mm*kg)
优化前	0.95	1939.4	3.4	309.6
优化后	0.45	1869.2	3.28	677.5

 经过结构优化后的方案，刚度提升了210%，质量减少了3.5%，优化后的方案综合性能提升明显。

4. 总结与建议

本案例通过综合运用拓扑优化、自由尺寸优化、尺寸优化技术展示了挤出薄壁件的结构优化方法，收到了良好的效果。一般挤出薄壁件的结构优化流程如下：

1）在满足工艺以及功能性要求下，将零件分为可设计域和非设计域；

2）应用拓扑优化方法，求解出最优截面形式；

3）依据拓扑优化结果，重构三维模型，应用自由尺寸优化方法，获取零件最佳厚度分布区域；

4）依据自由尺寸优化结果，将零件离散为一些列均匀的区域，将这一些列均匀区域的厚度作为设计变量进行尺寸优化，从而获取截面上各部位精确的厚度；

5）依据尺寸优化优化结果，工艺检查，重构三维模型，校核优化后模型的刚强度。

结构优化应用到具体产品上，会有诸多问题需要考虑。首先，不同的使用工况会带来不同的拓扑结构，同时还必须考虑工况的权重，权重最高的工况决定了拓扑结构。优化的本质是一种平衡与折中，追求的是综合性能最优而不是局部最优。

其次，产品尤其是汽车产品都有特殊性功能及性能要求，这就要求CAE工程师必须充分了解产品的加工工艺，是挤出、压铸、冲压还是焊接？不同工艺会带来不同的制造约束，就需要因地制宜综合运用多种优化手段计算最优解。

再次，拓扑、形貌优化出来的结果解读，需要丰富的产品经验和良好的力学基础来判断。往往一次优化计算得不到好的结果，就需要反复多次运算，逐步抽丝剥茧不断逼近问题的本质。优化不是设计的终点而是设计的起点，从良好的概念出发获取满足工艺环境和使用场景的优质产品。

 

建议：

CAE、CAD软件的易用性越来越高，最终会将CAE工程师从繁杂的前处理中解放出来，CAE工程师应当将主要精力聚焦在产品性能上，其实对CAE工程师提出了更高的要求，CAE工程师必须充分理解产品应用场景和使用工况，以及加工工艺。CAE工程师掌握娴熟的CAD技能也能大幅提高结构优化的效率和质量，可以实现CAE驱动CAD。另外一方面，会有越来越多的CAD工程师掌握CAE技能，并应用于产品开发中。随着技术的进步，CAE和CAD必将融合，最终只有产品工程师，对产品性能负责，不论是CAD还是CAE都是工具和手段，最终为产品性能服务，为产品的用户体验和可靠性负责。