何代澄，陳興彬，肖樂

基于拓撲優(yōu)化的重型商用車前牽引支座設計

何代澄，陳興彬，肖樂

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，重慶 401122）

文章建立了某重型商用車前端牽引裝置的有限元模型，基于拓撲優(yōu)化方法，確定了最佳傳力路徑和材料分布，輕量化設計出滿足新產(chǎn)品開發(fā)所需的重型商用車前牽引支座。該前牽引支座將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結構集成在一起，使結構更加緊湊。該前牽引支座拉伸和壓縮工況，均是水平±25°方向比縱向和垂直±6°方向的拉應力大。

重型商用車；前牽引支座；拓撲優(yōu)化；有限元分析

引言

當運行中的重型商用車陷入泥潭、凹坑及遇到故障時，一般采用救援車輛或其他牽引機械，通過前端牽引裝置協(xié)助其脫離困境，因此對重型商用車前牽引支座的合理設計具有重要意義。

為了降低汽車能耗，減輕汽車自身重量是一個行之有效的措施，這就使得汽車輕量化研究成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。目前，汽車輕量化的開發(fā)主要有三種方法，即進行結構優(yōu)化設計、采用新型輕質(zhì)材料、新型制造工藝的應用[1]。

拓撲優(yōu)化作為結構優(yōu)化設計的一種，是實現(xiàn)汽車零部件輕量化的有效方法之一，具有廣泛的應用。結構拓撲優(yōu)化是在指定設計空間內(nèi)尋找結構的最佳傳力路徑和最優(yōu)材料分布。在進行結構拓撲優(yōu)化設計時，利用有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA），將設計區(qū)域的結構離散成足夠多的單元，再運用優(yōu)化策略和準則，將不重要的單元從結構中去除，剩余的單元即為結構在相應工況下的最優(yōu)拓撲結構[2]。

因此，本文主要是基于拓撲優(yōu)化方法，利用有限元分析對某重型商用車前牽引支座進行輕量化設計，使其滿足新產(chǎn)品開發(fā)所需的要求。

1 分析方法

本文有限元分析模型采用HyperMesh進行前處理，OptiStruct作為求解器，HyperView進行后處理。其中，鈑金件用四邊形單元離散，基本單元尺寸為10mm；鑄件用四面體單元離散，基本單元尺寸為1-5mm。前牽引支座材料為ZG270-500，彈性模量2.1x105MPa，泊松比0.27，密度7.1x10-9T/mm3，屈服強度270MPa，抗拉強度500MPa。

何代澄等[3]對汽車前端牽引裝置的相關標準及法規(guī)進行了概述，指出了各自的適用性和方法，并結合重型商用車的實際使用情況，在分析牽引工況時沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮靜載荷，該靜載荷為車輛最大允許總質(zhì)量的一半，且截取前1/3車架長度。本文采用其相同的分析工況及載荷條件。

2 支座拓撲優(yōu)化

2.1 拓撲優(yōu)化模型

有限元模型的建立是進行其他分析的基礎，而選擇合適的建模方法是建立準確模型的關鍵，本文建立的拓撲優(yōu)化模型如圖1所示。在建立拓撲優(yōu)化模型時需要確定可設計區(qū)域和非可設計區(qū)域，從圖2中可以看出本文重型商用車前牽引支座的設計空間，其中法蘭盤與車架縱梁連接孔位、圓管橫梁連接筒孔位、掛鉤鏈接筒孔位為非可設計區(qū)域，其余為可設計區(qū)域。

圖1 拓撲優(yōu)化模型

圖2 前牽引支座的設計空間

2.2 拓撲優(yōu)化參數(shù)

本文進行重型商用車前牽引支座的拓撲優(yōu)化時，包含沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮15.5T的靜載荷，涉及10個工況，而在拓撲優(yōu)化中需要考慮到多種工況時，可采用加權柔度的方法，它是每個獨立工況柔度的加權總和，是對整個結構的全局響應。因此，本文約束條件將體積分數(shù)上限設為0.15，目標函數(shù)以10個工況的加權柔度最小（即整體剛度最大化），同時考慮應力、對稱和拔模約束。

2.3 拓撲優(yōu)化結果

經(jīng)求解器計算后，重型商用車前牽引支座的加權柔度收斂曲線如圖3所示?？梢钥闯觯Y構的加權柔度在17次迭代后收斂，表明前牽引支座的剛度在滿足設計約束條件下達到最大，此時設計區(qū)域的單元密度即為前牽引支座的最佳傳力路徑和材料分布如圖4所示。

圖3 加權柔度收斂曲線

圖4 拓撲優(yōu)化結果

3 支座結構設計及分析

3.1 結構設計

綜合考慮設計和制造因素，以圖4的拓撲優(yōu)化結果為基礎，輕量化設計的前牽引支座結構如圖5所示，其左右對稱安裝在車架縱梁上，包括法蘭盤、圓管橫梁連接筒和掛鉤鏈接筒組成。圓管橫梁伸入圓管橫梁連接筒內(nèi)部并焊接，掛鉤連接筒內(nèi)設計有與牽引掛鉤匹配的螺紋孔，通過螺栓將法蘭盤與車架縱梁連接。該前牽引支座將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結構集成在一起，使結構更加緊湊。

圖5 優(yōu)化后的前牽引支座結構

3.2 結構分析

為了驗證經(jīng)拓撲優(yōu)化設計的輕量化重型商用車前牽引支座是否滿足要求，建立結構有限元分析模型，對其進行強度分析。

圖6為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T拉伸靜載荷時前牽引支座的拉應力結果?？梢钥闯觯健?5°方向拉伸比縱向和垂直±6°方向拉伸的拉應力大。其中，水平+25°方向拉伸時最大拉應力為407.7MPa（安全系數(shù)為1.23），水平-25°方向拉伸時最大拉應力為439.0MPa（安全系數(shù)為1.14），均小于ZG270-500材料抗拉強度500MPa，位置出現(xiàn)在前牽引支座背面與法蘭盤過渡處，滿足設計要求。

(a) 縱向 (b) 垂直+6°方向 (c) 垂直-6°方向 (d) 水平+25°方向 (e) 水平-25°方向

圖7為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T壓縮靜載荷時前牽引支座的拉應力結果?？梢钥闯?，水平±25°方向壓縮同樣比縱向和垂直±6°方向壓縮的拉應力大。其中，水平+25°方向壓縮時最大拉應力為299.1MPa（安全系數(shù)為1.67），水平-25°方向壓縮時最大拉應力為308.3MPa（安全系數(shù)為1.62），均小于ZG270-500材料抗拉強度500MPa，位置出現(xiàn)在圓管橫梁與圓管橫梁連接筒過渡邊緣處，滿足設計要求。

(a) 縱向 (b) 垂直+6°方向 (c) 垂直-6°方向 (d) 水平+25°方向 (e) 水平-25°方向

4 結論

（1）基于拓撲優(yōu)化方法，確定了前牽引支座的最佳傳力路徑和材料分布，輕量化設計出滿足要求的前牽引支座。

（2）設計了將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結構集成在一起的前牽引支座，使結構更加緊湊。

（3）該前牽引支座拉伸和壓縮工況，均是水平±25°方向比縱向和垂直±6°方向的拉應力大。

[1] 何代澄.汽車輕量化技術及其在商用車上的應用:新型汽車工程塑料—正確的設計和制造工藝高研班論文集[C].重慶:西南汽車信息, 2015.

[2] 黃福洲,蔡劍,王德遠,等.基于拓撲優(yōu)化的新能源汽車擺臂輕量化設計[J].計算機輔助工程, 2019,28(2):38-41.

[3] 何代澄,萬剛.某重型商用車前牽引有限元分析與試驗研究[J].汽車實用技術, 2019(16):121-124+134.

Design of Front Traction Support for Heavy Commercial Vehicle Based on Topology Optimization

He Daicheng, Chen Xingbin, Xiao Le

( Technical Center, SAIC-IVECO HONGYAN Commercial Vehicle CO., Ltd, Chongqing 401122 )

In this paper, the finite element model of front traction device of a heavy commercial vehicle is established. Based on the method of topology optimization, the optimal force transfer path and material distribution are determined. Lightweight design of front traction support of heavy commercial vehicle for new product development. The front traction support combines the front cross beam connection support with the hook connection support. This makes the structure more compact. The tension and compression conditions of the tensile stress of front traction support are higher in the horizontal (±25°) directions than in the longitudinal direction and vertical (±6°) directions.

Heavy commercial vehicle; Front traction support; Topology optimization; Finite element analysis

U463

A

1671-7988(2019)24-148-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.048

何代澄（1988-），男，碩士研究生，工程師，就職于上汽依維柯紅巖商用車有限公司。主要從事汽車設計及結構分析工作。