高靜，梁江波，偶晨陽，安俊龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperMesh-Optistruct轉(zhuǎn)向機支架拓撲優(yōu)化設計

高靜，梁江波，偶晨陽，安俊龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

利用通用有限元分析軟件HyperWorks11.0，對某重型車轉(zhuǎn)向機支架進行了靜強度分析及拓撲優(yōu)化設計，優(yōu)化后模型在滿足零部件安全可靠性設計要求的前提下，減重效果明顯，達到了輕量化的目的。

Hypermesh11.0；轉(zhuǎn)向機支架；靜強度分析；拓撲優(yōu)化；可靠性

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-58-02

引言

結(jié)構優(yōu)化設計是一種規(guī)格化的設計方法，要綜合各方面的因素、要求、約束條件等等，將設計問題按優(yōu)化設計所規(guī)定的格式建立健全數(shù)學模型，選擇合適的優(yōu)化方法及計算機程序，然后再通過計算機的計算，自動獲得最優(yōu)設計方案，從而產(chǎn)生一個理想的設計[1]。一般的結(jié)構優(yōu)化問題都包括三個基本概念：設計變量、約束條件及目標函數(shù)。隨著計算力學領域里結(jié)構分析及結(jié)構優(yōu)化理論及方法的不斷更新，使得大型復雜工程結(jié)構的輕量化成為可能。結(jié)構優(yōu)化理論的發(fā)展己不再是單純要求設計師憑借經(jīng)驗去創(chuàng)造設計方案，而是在初定結(jié)構基礎上運用優(yōu)化理論尋求作為目標函數(shù)的重量等的最優(yōu)值，從而獲得最佳結(jié)構設計。它能在工程結(jié)構設計的初始階段為設計者提供一個概念性設計[2]。

1、材料屬性和邊界條件

表1 平衡軸支架材料屬性

圖1 約束和加載

約束：轉(zhuǎn)向機支架與車架連接孔位處六個。

自由度全部約束； 載荷：在提供的裝配模型中找到加載位置，繞Y向(坐標系參考整車坐標)順時針和逆時針加載6350N?m兩種扭矩（兩種工況），此加載點和另外四個轉(zhuǎn)向機連接孔位置剛性連接。

2、設計優(yōu)化要點

圖2 轉(zhuǎn)向機支架原模型

圖3 拓撲優(yōu)化概念模型

結(jié)合原模型結(jié)構，對原模型進行拓撲優(yōu)化，得到如圖所示拓撲優(yōu)化概念模型[3]，以此作為減重設計的重要依據(jù)，在此基礎之上，對原支架結(jié)構進行進一步優(yōu)化設計，如圖4所示。

圖4 支架優(yōu)化設計圖

減重思路：結(jié)合拓撲優(yōu)化概念模型及原模型位移、靜強度分析計算結(jié)果，在局部區(qū)域進行優(yōu)化減重[4]。優(yōu)化設計后模型質(zhì)量16.22kg，較原模型減重1.168kg。

3、靜強度分析

對該轉(zhuǎn)向機支架優(yōu)化前后模型各工況靜強度分析結(jié)果如下圖[5]：

圖5 模態(tài)分析圖

表2 靜強度計算結(jié)果綜合比較

4、結(jié)論

經(jīng)過對原模型和優(yōu)化后模型順時針扭矩工況、逆時針扭矩兩個工況的靜強度分析計算，優(yōu)化設計后模型在減重1.168kg的條件下，靜強度各工況安全系數(shù)都有較小幅度的減??；綜合比較知，優(yōu)化后模型在安全可靠性方面較原模型基本趨于一致[6]。

[1] 陳家瑞.汽車構造.北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2] 王望予.汽車設計.北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應用實例.機械工業(yè)出版設,2008.

[4] 周中堅,盧耀祖.機械與汽車結(jié)構的有限元分析.長春:同濟大學出版社,1997.

[5] 龔培剛.有限元方法及其在汽車工程中的應用.重慶:重慶大學出版社,1988.

[6] 馬文華等.彈性塑性有限元.湖南:湖南科學技術出版社,1983.

Based on HyperMesh - turning machine Optistruct topology optimization design

Gao Jing, Liang Jiangbo, Ou Chenyang, An Junlong
( Shaanxi Automoblie Group CO., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The use of finite element analysis software HyperWorks11.0, For a heavy vehicle steering bracket static strength analysis and topology optimization design, The optimized model components meet the safety and reliability of the design requirements of the premise, Weight loss effect is obvious, Achieve the purpose of lightweight.

Hypermesh11.0; Steering bracket; Static strength analysis; Topology Optimization; reliability

U462.1

A

1671-7988(2016)07-58-02

高靜，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，主要從事產(chǎn)品設計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.018