1.本发明涉及汽车零件技术领域，具体涉及一种连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法。
背景技术：
2.连续纤维复合材料具有比刚度大、比强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，在节能减排需求日益强烈的今天，用轻量的连续纤维板替换原有的金属结构，已经成为汽车减重的一种理想手段，并在汽车诸多支承件、结构件上得到了广泛的应用。
3.连续纤维板大规模生产的主要工艺是模压成型，这种工艺的成型周期一般在几分钟以内，生产率高，但是其工艺特点决定了它无法生成复杂的几何形状(与注塑成型工艺相比)，而汽车结构件大多具有造型多样，几何特征复杂的特点，这些特点限制了连续纤维板在汽车领域的进一步应用。针对这个问题，复合材料领域的材料供应商(如basf，lanxess)和设备供应商(如engel，kraussmaffei)等不约而同地提出了一种结合了模压与注塑工艺的混合成型工艺，称为organic sheet overmolding injection process(osoi)，即在连续纤维板模压过程中，通过注胶口在纤维板背部注塑成型辅助结构，使零件既具备了模压工艺性能好、生产效率高的特点，又获得了良好的成型性。通过将昂贵的连续纤维材料布置在关键的载荷传导路径上，而在其他性能要求不高的部分使用相对廉价的注塑成型的长纤维复合材料，还能有效降低零件成本，达成减重、性能、成本的平衡。这种技术从2018年亮相以来，已逐步开始得到汽车主机厂及供应商的重视。
4.相比于传统的模压成型工艺，osoi由于引入了新工艺(注塑工艺)、新结构(注塑成型辅助结构)和新材料(基于注塑成型的长纤维材料)，使得在设计采用这种工艺的零部件时，既需要考虑连续纤维板的传力路径和纤维走向，又需要考虑注塑成型的结构的工艺问题(拔模角度，开模方向等)，还有两者之间的性能匹配、功能分担以及最终成本，设计难度变得很大。传统汽车零部件设计，遵循cad设计-cae分析-结构改进的顺序方法，这种方法在面对osoi这类工艺时，由于工艺的混合而带来的可能组合大大增加，因此需要重复许多次才能找到有效结构，完成最终设计，而且往往无法穷尽这种工艺所能提供的性能潜力。因此需要一种与传统设计流程不同的设计方法，能从设计初始就能将成型特点、性能指标与轻量化目标全盘纳入考虑。
5.目前国内对基于osoi工艺的零件的设计项目还未见有文献阐述，而国外ford等公司报道过采用这种工艺生产的轻量化零件，但内容主要集中在生产工艺方面，对其中的设计流程多语焉不详。
技术实现要素：
6.本发明的目的是为了解决采用osoi工艺轻量化减重的零部件依赖传统零部件设计，导致迭代周期长、减重效果无法最优化、无法达到有效轻量化效果的问题，提供了一种连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法。该优化设计方法将零件的成型特点、
性能指标及轻量化目的在设计初始全盘纳入考虑，实现零件的最优化减重设计。
7.本发明的目的通过如下技术方案实现。
8.一种连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法，包括：
9.(1)确定原始零件的空间关系、安装位置以及性能指标，定义设计空间及非设计空间；
10.(2)构建整体设计空间的模型，以连续纤维材料的力学属性定义整体设计空间；
11.(3)以成型工件的刚度指标和强度指标为优化目标，拓扑优化连续纤维材料在设计空间的分布；
12.(4)选择剩余设计空间，将注塑长纤维材料赋予确定的剩余设计空间；
13.(5)以步骤(3)中选用的刚度指标和强度指标以外的面外性能为优化指标，拓扑优化注塑长纤维在剩余设计空间的分布。
14.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，步骤(1)中，定义去除安装位置后的包裹原始零件的周围对手件围成的空间为所述设计空间，定义所述安装位置对应的空间为所述非设计空间。
15.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，步骤(2)中，根据载荷类型和设计空间的几何复杂程度，以连续纤维材料的各向材料性能或力学主方向的性能进行定义整体设计空间。
16.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，步骤(3)中，根据原始零件与设计空间的体积差异，以及连续纤维成型结构与原始零件的材料之间的密度比例和减重要求，优化约束值选择为体积分数或质量分数。
17.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，上述任一项的所述连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法中，完成步骤(3)的拓扑优化后进行性能验证分析：
18.以步骤(3)使用的刚度指标和强度指标为分析工况，验证连续纤维材料成型结构的性能；若满足分析指标，进行步骤(4)；若不满足分析指标，返回步骤(2)。
19.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的进一步的优选实施方式，完成步骤(3)后进入性能验证分析前，将步骤(3)拓扑优化后的崎岖中空外形处理为工艺上可行的圆滑过渡的拓扑结构。
20.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，步骤(5)中，根据注塑长纤维材料的密度与重量目标，优化约束值为体积分数。
21.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，上述任一项的所述连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法中，完成步骤(5)的拓扑优化后进行性能验证分析：
22.以步骤(5)选用的面外性能指标为分析工况，验证结合连续纤维材料与注塑长纤维材料的成型结构的性能；若满足性能要求，结束设计；若不满足性能要求，返回步骤(4)。
23.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方式，完成步骤(5)后进入性能验证分析前，进行注塑长纤维材料的注塑结构设计，并以将步骤(5)拓扑优化的结果作为加强筋及其他注塑连接位置的设计依据。
24.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的优选实施方
式，上述任一项所述的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法中，还包括依次进行如下步骤(6)和步骤(7)；
25.(6)对尺寸参数进行优化调整；
26.(7)以步骤(3)中选用的刚度指标、强度指标和步骤(5)选用的面外性能指标作为分析工况，验证成型结构的性能；
27.若满足性能要求，结束设计；若不满足性能要求，返回步骤(6)。
28.作为本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的进一步优选实施方式，上述的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法中，所述尺寸参数包括连续纤维材料成型结构的厚度、注塑长纤维材料成型的加强筋的分布密度、注塑长纤维材料成型的加强筋的角度、注塑长纤维材料成型的加强筋的厚度和注塑长纤维材料成型的加强筋的高度中的一者以上。
29.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
30.本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法，采用两次拓扑优化以确定连续纤维板和注塑长纤维材料的基本结构，达到优化的材料分布，可以最大程度地发掘纤维板模压注塑复合成型工艺的潜能，实现零件减重，减少迭代次数，节省计算资源和设计时间。其中，在优化设计过程中，自动覆盖包括拔模角等成型性参数以及工艺参数，简化成型性分析的难度和成本，为零件的大批量生产提供便利。
31.此外，优化设计过程中，拓扑优化确定连续纤维板结构和长纤维材料注塑结构后进行cae分析验证方案性能，完成cae分析验证方案性能后，再由参数调整环节对设计结构进行尺寸上的调整，以确定板厚、加强筋壁厚等的最优尺寸，达到最优化的材料分布，实现零件的轻量化的最优化设计。
附图说明
32.图1为具体实施例中本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的圈流程示意图。
33.图2为钣金焊接支架原始零件的结构示意图。
34.图3为设计空间与非设计空间的构建示意图。
35.图4为完成第一次拓扑优化后的零件的结构示意图。
36.图5为对第一次拓扑优化后的崎岖中空外形进行处理后的零件的结构示意图。
37.图6为cae强度分析的结果图。
38.图7为完成第二次拓扑优化后的零件的结构示意图。
39.图8为第二次拓扑优化后并完成底部注塑加强筋的零件的结构示意图。
40.图9为cae扭转分析的结果图。
41.图10为cae碰撞强度分析的结果图。
42.图11为经过参数调整及优化设计的轻量化零件的结构示意图。
具体实施方式
43.以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的
实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
44.并且，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
45.应该理解，在本发明中使用的单数形式，如“一种”，包括复数指代，除非另有规定。此外，术语“包括”、“含有”、“具有”是开放性限定并非封闭式，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。换言之，所述术语也包括“基本上由
…
构成”、或“由
…
构成”。
46.除非另有规定，本文使用的所有技术术语和科学术语具有要求保护主题所属领域的标准含义。倘若对于某术语存在多个定义，则以本文定义为准。
47.在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
48.本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法，分别采用两次拓扑优化来确定连续纤维板和注塑长纤维材料的基本结构，对确定的基本结构分布进行cae(computer aided engineering)分析，经过cae分析验证方案性能后，再由参数调整环节来对设计结构做尺寸上的调整，以确定最终的板厚加强筋壁厚等尺寸，以达到最优化的材料分布，最大程度地发掘纤维板模压注塑复合成型工艺的潜能，实现零件减重设计。
49.本发明的连续纤维板模压注塑混合成型工件的优化设计方法的流程请参阅图1所示，具体的流程步骤如下：
50.(1)原始零件输入：确定需要轻量化优化的原始零件的空间关系、安装位置以及性能指标等参数，并定义设计空间及非设计空间。
51.其中，零件的空间关系是零件与周围对手件之间的布置方式、相互之间的几何间隙等关系，为了最大程度获得理想的优化结果，通常将这些包裹原始零件的周围对手件围成的、除去安装位置以外的空间全部定义为设计空间(design space)，空间关系决定了拓扑优化中材料能最大的分布范围。
52.零件的安装位置是零件上用来装配的位置，由装配工艺决定，通常包括零件上的孔位、插槽、法兰面等，以及为安装工具预留的工艺空间。出于成本的考虑，通常要求优化后的零件沿用与原始零件一样的安装位置，这些安装位置需要在优化中保持不变，因此将设计空间上的这部分几何定义为非设计空间(non-design space)，非设计空间在拓扑优化中将只承受载荷，而不参与优化计算。
53.拓扑优化将在给定的设计空间内，根据优化准则，与性能指标自动计算材料的理想分布。原始零件的性能指标还将用作cae分析的工况，以验证拓扑优化结构的有效性。
54.在具体实施例中，以普通汽车钣金焊接支架的原始零件(如图2所示)为例，对其采用模压注塑工艺混合成型工艺进行轻量化，并基于选定的原始零件设定允许的设计空间及非设计空间(如图3所示)。
55.(2)定义模压连续纤维材料属性：构建整体设计空间的模型，以连续纤维材料的力学属性定义整体设计空间。
56.定义完零件的设计空间后，通过计算机建模软件构造出整个设计空间的模型，然后在优化软件中把整个设计空间视作零件本体，用选定的连续纤维材料的力学属性定义整个设计空间。由于连续纤维材料的种类、铺层顺序、体积比等都会对材料性能产生影响，因
此模压连续纤维材料的选择需要根据具体工况确定。对于汽车零部件而言，其载荷的大小与方向往往是明确的，因此可以根据具体的载荷类型选择；若载荷方向比较单一，则可以采用单向带连续纤维材料；若载荷较为复杂，则可以采用正交或者编制铺层的形式以使结构在各个方向上均能获得较好的承载能力；当设计空间几何较为简单时，采用连续纤维材料的完整各方向性能；对于设计空间几何较为复杂，不适宜采用复杂各向异性材料属性的结构，可以视为各向同性均匀材料，并用材料主方向的材料属性对其定义，具体采用材料连续纤维材料的主方向性能进行定义，但这种定义的影响需要在优化后的结构设计中予以考虑。
57.(3)第一次拓扑优化：以成型工件的刚度指标和强度指标为优化目标，如在示出的具体实施例中采用的指标为结构的纵向强度，根据原始零件与设计空间的体积差异，以及连续纤维与原始零件材料之间的优化需求，设置优化约束值，连续纤维材料将在优化算法的控制下通过传力路径和载荷分布布置。
58.具体的，第一次的拓扑优化以零部件的刚度及强度指标为优化目标，可以根据原始零件与设计空间的体积差异，模压纤维连接纤维材料成型结构与原始零件的材料之间的密度比例以及减重要求，选择一个合理的体积分数或者质量分数作为优化的约束条件，使优化结果既能实现减重目标，又能体现具体的材料分布。如具体实施例中，根据原始零件与设计空间的体积差异，体积分数或者质量分数选择比例为40％。
59.拓扑优化会在设计空间中，通过传力路径和载荷分布自动布置模压纤维连接纤维材料，最终在允许的体积水平下将模压纤维连接纤维材料布置在关键的位置上。
60.如图4所示，为具体实施例中完成第一次拓扑优化后的结构。
61.(4)设计模压连续纤维板结构：对第一次拓扑优化的结构进行优化处理。
62.根据第一次拓扑优化的结果设计的连续纤维板的结构，通常拓扑优化的结果都有崎岖中空的外形，通过cad处理，可以将其处理为工艺上可行的圆滑过渡的拓扑结构，这种结构通常会是连接各处安装位置(即非设计空间)的圆弧面或者曲面。
63.如图5所示，为具体实施例中完成设计的模压连续纤维板结构。
64.(5)第一次cae分析：以步骤(3)使用的刚度指标和强度指标为分析工况，验证连续纤维板结构的性能；若满足分析指标，则进入步骤(6)；若不满足分析指标，则返回步骤(2)，重新调整材料属性并拓扑优化。
65.将上一步完成设计的连续纤维材料模压成型结构进行cae分析，以拓扑优化中所使用的刚度指标和强度指标为分析工况，以验证连续纤维材料模压成型结构的性能。
66.若结构性能不满足分析指标，则返回步骤(2)的模压连续纤维材料选择环节，调整模压连续纤维材料材料属性，重新进行拓扑优化分析。
67.若结构性能满足分析指标，如图6示出的具体实施例的连续纤维材料模压成型结构的cae强度分析结果，性能满足分析指标，则流程继续，进入步骤(6)。
68.(6)选择剩余设计空间：选择剩余设计空间作为第二次拓扑优化的设计空间。
69.在已获得连续纤维材料模压成型结构的条件下，选择步骤(1)中确定的设计空间中剩余的部分作为第二次拓扑优化的设计空间，用来决定注塑成型结构的造型，非设计空间中则添加步骤(4)获得的连续纤维材料模压成型部分。
70.(7)定义注塑长纤维材料属性：将注塑长纤维材料赋予步骤(6)确定的剩余设计空
间。
71.注塑长纤维材料同样依据纤维类型、基体材料、体积分数等性质的不同有着不同的材料属性，因此具体使用的注塑长纤维材料需要根据零件的使用场景，刚度及强度要求、轻量化指标等进行综合选择，注塑长纤维材料在此处被处理为均匀的各向同性材料，并将注塑长纤维材料赋予步骤(6)确定的剩余设计空间。
72.(8)第二次拓扑优化：以步骤(3)、(5)中使用的刚度指标和强度指标以外的面外性能为优化指标，如在具体实施例中采用的指标为结构的抗扭刚度，根据注塑长纤维材料的密度与注塑长纤维材料成型结构的重量目标，设置优化约束值，拓扑优化注塑长纤维结构。
73.因为注塑成型结构在整个零件结构中主要起支撑加强作用，且主要用于强化面外刚度，因此在第二次拓扑优化中，应选择步骤(3)及(5)中使用的刚度指标及强度指标以外的面外性能指标为优化目标，例如振动频率、振型、抗扭抗弯等工况，并根据注塑长纤维材料的密度与注塑长纤维材料成型结构的重量目标设置合适的体积约束条件，进行注塑长纤维结构的拓扑优化。通常在拓扑优化中，要求优化结果能够提供清晰材料分布与走向，以方便设计符合工艺的相应结构，因此体积分数不能设置过低，如具体实施例中，设置为30％。
74.如图7所示，为具体实施例中完成第二次拓扑优化后的结构。
75.(9)设计注塑长纤维材料结构：对第二次拓扑优化的结构进行优化处理。
76.根据步骤(8)的第二次拓扑优化结果，按照注塑成型的工艺特点，完成注塑结构的设计，第二次拓扑优化的结果将作为加强筋及其他注塑连接位置的设计依据。
77.如图8所示，为具体实施例中根据第二次拓扑优化结构完成的底部注塑加强筋的结构。
78.(10)第二次cae分析：以步骤(8)选用的面外性能指标为分析工况，验证连续纤维板与注塑成型结构的工件的性能；若满足性能要求，则进入步骤(11)；若不满足性能要求，则返回步骤(7)，重新调整材料属性并拓扑优化。
79.用步骤(8)中作为优化目标的面外性能指标作为分析工况，验证结合了连续纤维材料模压成型结构与长纤维材料注塑成型结构的零件是否能满足性能要求。
80.若不满足性能要求，则返回步骤(7)重新选择长纤维材料，调整长纤维材料的属性，并重新进行拓扑优化。
81.若满足性能要求，如图9示出的具体实施例的结合连续纤维材料模压成型结构与长纤维材料注塑成型结构的零件的cae扭转分析结果，符合性能要求，则流程继续并进入步骤(11)。
82.(11)参数调整：对包括纤维板厚度、加强筋的分布密度、角度、加强筋的厚度、加强筋的高度的尺寸参数进行优化调整。
83.通过两次拓扑优化，轻量化零件已具备了较为完整的结构，但连续纤维材料模压成型结构和长纤维材料注塑成型结构匹配后会带来一定的性能富裕，这时候可以对结构的尺寸参数进行一定的调整，以达到最大化减重的目的，参数调整的对象包括连续纤维材料模压成型结构的厚度、长纤维材料注塑成型加强筋的分布密度、长纤维材料注塑成型加强筋的角度、长纤维材料注塑成型加强筋的厚度和长纤维材料注塑成型的高度等，参数调整既可以通过参数优化来实现，也可以通过第二次cae分析的结果来指导实现，同时在该步骤中还可针对整体工艺的成型性对结构进行一定的调整。
84.(12)第三次cae分析：以步骤(3)、(5)使用的刚度指标、强度指标以及步骤(8)选用的面外性能指标作为分析工况，验证工件的性能；若满足性能要求，则结束设计；若不满足性能要求，则返回步骤(11)。
85.将经过调整的模型结构进行cae分析，分析工况应包括之前分析步骤中的关键刚度指标、强度指标与面外性能指标，以保证调整后的结构能同时满足以上性能要求。如图10示出，为具体实施例的同时满足刚度指标、强度指标及面外性能指标的模型结构，可以作为最终的结构造型以用于生产制造。若不能满足，或性能富余太多，则需要返回步骤(11)重新调整尺寸，重新进行整体模型结构的优化设计。
86.(13)设计定型：第三次cae分析合格后的模型结构作为最终结构造型，如图11示出的分析合格的模型结构，并进行数据冻结以备生产制造的数据调取。
87.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，本说明书为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。而且，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。
88.应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。