陳軍，朱訓(xùn)德，李樂艷

(1.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

車身懸置支座拓撲優(yōu)化研究

陳軍1，朱訓(xùn)德1，李樂艷2

(1.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

應(yīng)用拓撲優(yōu)化設(shè)計方法對某型工程車的車身懸置支座進行優(yōu)化設(shè)計，得到一款造型美觀、材料最省、成本低、強度和剛度性能優(yōu)的車身懸置支座。表明拓撲優(yōu)化設(shè)計對于汽車零部件的輕量化設(shè)計意義重大，可以實現(xiàn)以最少的材料、最低的成本達到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能的目的。

車身懸置；拓撲優(yōu)化；輕量化

0 引言

隨著計算機虛擬仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的發(fā)展，汽車零部件的設(shè)計優(yōu)化也日益進步。將先進的計算機虛擬仿真技術(shù)引入到汽車零部件優(yōu)化設(shè)計中將大大提高汽車零部件的材料利用率，實現(xiàn)使用最少的材料達到最優(yōu)性能的目的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計又可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。目前，尺寸優(yōu)化的理論和應(yīng)用已趨于成熟，形狀優(yōu)化的理論已經(jīng)基本建立，正在著重解決實際應(yīng)用方面的問題。結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化由于其理論和計算的復(fù)雜性而成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中最富挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域[1]。拓撲優(yōu)化就是通過設(shè)計材料在結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理分布，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)某種性能的最優(yōu)。一方面拓撲優(yōu)化大大減少了建模方面的工作量，另一方面它可以在改善或保持結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上大大減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展、日益突出的能源問題和為了滿足對汽車設(shè)計的新要求，對汽車零部件和機械結(jié)構(gòu)開展拓撲優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義[2]。文中以某型工程車的車身懸置支座為研究對象，引入拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，利用先進的計算機虛擬仿真技術(shù)對它進行全新的拓撲優(yōu)化設(shè)計。全新設(shè)計一款造型美觀、材料最省、成本低的車身懸置支座，達到通過引入拓撲優(yōu)化設(shè)計這一方法實現(xiàn)使用最少的材料實現(xiàn)最優(yōu)性能的目的。此方法可以拓展和推廣至汽車其他零部件的設(shè)計中去，對于汽車零部件的輕量化和降成本設(shè)計意義重大。

1 拓撲優(yōu)化分析模型的建立

1.1 拓撲優(yōu)化空間的建立

某型工程車原始車身懸置支座為一板焊件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)此支座的結(jié)構(gòu)和空間布置特點，進行拓撲優(yōu)化空間的建立?？紤]新開發(fā)支座將進行鑄造，因此取消其上的L形板結(jié)構(gòu)。建立的拓撲優(yōu)化空間如圖2所示。

圖1 原始車身懸置支座圖 圖2 車身懸置支座拓撲優(yōu)化有限元模型圖

1.2 優(yōu)化分析邊界條件和材料屬性

此工程車車身的質(zhì)量約為1 t，車身后支座承受的垂向力約為2 500 N,制動時承受的切向制動力約為1 000 N。車身后支座將采用ZG270-500材料，其材料特性如表1所示。

表1 ZG270-500材料特性

1.3 優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標設(shè)定

將采用Optistruct軟件進行拓撲優(yōu)化的虛擬仿真計算，通過定義設(shè)計目標、約束條件等來實現(xiàn)最佳的材料布局，從而達到車身后支座應(yīng)力降低、剛度提升、輕量化設(shè)計的目的。

設(shè)置的優(yōu)化目標為支架剛度最大化，設(shè)置的約束條件為優(yōu)化后所保留的體積與原來值的比不低于0.3，設(shè)置的優(yōu)化區(qū)域為除了支座安裝固定孔面和車身固定孔面以外的所有區(qū)域。

將其離散化后，并且施加約束和載荷邊界后建立的有限元拓撲優(yōu)化分析模型如圖2所示，下端約束處為支座安裝固定在車架上的安裝孔，上端載荷加載處為車身固定安裝處。

2 拓撲優(yōu)化分析計算

建立分析模型后，對其進行優(yōu)化迭代計算，大約經(jīng)歷40步迭代計算后得出最優(yōu)的計算結(jié)果，其目標函數(shù)迭代流程曲線如圖3所示。得出的拓撲空間計算結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 目標函數(shù)迭代歷程

圖4 優(yōu)化后材料密度分布云圖(多視角示意圖)

可見其大體呈一y形支撐結(jié)構(gòu)，并且支座中間材料基本被去除，只留下側(cè)面材料。

3 拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上文的計算結(jié)果，根據(jù)支座的安裝支撐功能等其他使用要求，對它進行了全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終設(shè)計出的車身懸置支座鑄件模型如圖5所示。

圖5 車身懸置支座拓撲優(yōu)化模型圖

4 性能評估

為了評估新設(shè)計車身支座的性能，從強度、剛度和質(zhì)量成本等對它進行對比分析。對比結(jié)果如表2所示,可看出：經(jīng)過拓撲優(yōu)化設(shè)計出的支座不但結(jié)構(gòu)美觀，而且強度方面最高應(yīng)力比原來要低97 MPa，剛度方面變形要比原來低0.09 mm，質(zhì)量要比原來輕3 kg，降重達1倍以上，支座成本降低11元。優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度與剛度性能如圖6所示。

表2 拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能對比評估表

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度剛度性能云紋圖

5 結(jié)論

使用先進的拓撲優(yōu)化設(shè)計手段和計算機虛擬設(shè)計手段，以某型工程車車身懸置支座為研究對象，成功設(shè)計出一款結(jié)構(gòu)美觀、質(zhì)量輕、強度剛度性能優(yōu)、成本低的車身懸置支座。表明此種設(shè)計方法對于汽車零部件的輕量化設(shè)計意義重大，可以實現(xiàn)以最少的材料、最低的成本達到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能的目的。

【1】馮楨，于濤，曾齊福．拓撲優(yōu)化方法在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用探索[J]．機械設(shè)計與制造，2007(3)：138-139． FENG Z,YU T,ZENG Q F.Application and Attempt of Topology Optimization in Design[J].Machinery Design & Manufacture,2007(3)：138-139．

【2】劉慶，侯獻軍．基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計[J]．裝備制造技術(shù)，2008(10)：42-44． LIU Q,HOU X J.Structure Topology Optimization Design of Vehicle Parts Based on HyperMesh/OptiStruct[J].Equipment Manufacturing Technology,2008(10)：42-44．

Research on Topology Optimization Design of Vehicle Body Mount

CHEN Jun1, ZHU Xunde1,LI Leyan2

(1.Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410129,China； 2.Beijing Automobile Zhuzhou Branch,Zhuzhou Hunan 412007,China)

The topology optimization design method was used to optimize the design of the body mount support of a certain engineering vehicle. A mount support with attractive appearance,material saving, low cost, excellent strength and stiffness was gotten.It is shown that the topology optimization design is of great significance for the lightweight design of automotive parts,the goal that achieving the best structural performance with minimal material and lowest cost is realized.

Body mount;Topological optimization;Lightweight

2017-02-13

陳軍(1983—),男，學(xué)士，研究方向為整車總布置設(shè)計、車架及相關(guān)零部件設(shè)計、產(chǎn)品管理、市場研究管理。E-mail:chenjun4@foton.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.009

U463.83+1

A

1674-1986(2017)06-033-03