沈文華

（河北億利康納利亞環(huán)?？萍加邢薰?河北 邢臺 054800）

引言

參考整車硬點(diǎn)、周邊布置需求、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等完成了某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂方案設(shè)計(jì)，但出現(xiàn)了材料利用率不高、重量偏重、成型困難等問題，通過設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅周期較長、效率較低、工作重復(fù)，而且難達(dá)到預(yù)期的輕量化目標(biāo)。通過采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)臂設(shè)計(jì)，可以根據(jù)指定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)自動采用材料利用效率高的結(jié)構(gòu)基本特征，指導(dǎo)完成后續(xù)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型建立

1.1 優(yōu)化前模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)配接尺寸及周邊布置要求建立一個具有較大優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域的模型（優(yōu)化前模型，重量11.042 kg），并采用 Hypermesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，單元類型為 C3D4，網(wǎng)格大小為6 mm，如圖 1 所示。在優(yōu)化過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿球銷連接部位均為不可改變的非設(shè)計(jì)區(qū)域，中間部位為設(shè)計(jì)區(qū)域[2]。

1.2 邊界及加載

轉(zhuǎn)向拉桿球銷傳遞的力通過球銷硬點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷錐面建立剛性連接單元（rigid）進(jìn)行加載，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)固定位置通過安裝面、螺栓孔建立約束模擬相應(yīng)載荷[3]。

1.3 載荷工況選取

進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前，需要考慮得到哪方面性能最優(yōu)情況的材料分布結(jié)果[1]20。轉(zhuǎn)向節(jié)臂在典型工況中，轉(zhuǎn)向拉桿球銷硬點(diǎn)承受側(cè)向（Y向）載荷較大，縱向（X 向）、垂向（Z 向）載荷相對較小，將各工況中各向最大載荷同時(shí)作用于該模型[4]。

1.4 材料屬性

轉(zhuǎn)向節(jié)臂采用合金鋼材料40Cr，其彈性模量為210 000 MPa，泊松比為 0.3，屈服強(qiáng)度為 785 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa。

1.5 優(yōu)化前有限元模型分析

將有限元模型（inp 文件）導(dǎo)入 ABAQUS/CAE中進(jìn)行強(qiáng)度分析。優(yōu)化前轉(zhuǎn)向節(jié)臂的最大應(yīng)力為261.7 MPa，最大位移為 0.6 mm，位于轉(zhuǎn)向拉桿球銷球心，如圖 2、圖3 所示。

1.6 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

拓?fù)鋬?yōu)化指分析過程中不斷修改模型中設(shè)計(jì)區(qū)域的單元材料性質(zhì)，有效地從分析模型中移走/增加單元而獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用 ABAQUS/ CAE 及拓?fù)鋬?yōu)化模塊對完成分析的優(yōu)化前有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置，建立拓?fù)鋬?yōu)化模型。具體過程為：（1）創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù)；（2）創(chuàng)建應(yīng)變能的設(shè)計(jì)響應(yīng)；（3）創(chuàng)建最小應(yīng)變能目標(biāo)函數(shù)和 60%體積優(yōu)化目標(biāo)（設(shè)計(jì)區(qū)域減重約 3kg）約束函數(shù)，其中，最小化應(yīng)變能即為最大化全局剛度，在模型初始計(jì)算強(qiáng)度結(jié)果條件下，剛度基本保持不變；（4）創(chuàng)建優(yōu)化進(jìn)程，提交分析[5]。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

經(jīng)19次迭代優(yōu)化后，設(shè)計(jì)區(qū)域達(dá)到體積約束要求，即停止計(jì)算。圖4、圖5為第5次、第19次迭代優(yōu)化后的設(shè)計(jì)區(qū)域網(wǎng)格情況及應(yīng)力情況，可以看出，通過嘗試從轉(zhuǎn)向節(jié)臂下部不斷去除設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)部材料，設(shè)計(jì)區(qū)域應(yīng)力分布圖基本一致，滿足約束目標(biāo)要求。圖6、圖7為優(yōu)化模型第19次迭代后所有區(qū)域應(yīng)力、位移分布圖。最大應(yīng)力為312.5MPa，最大位移為0.951mm，位于轉(zhuǎn)向拉桿球銷球心。

3 轉(zhuǎn)向節(jié)臂優(yōu)化結(jié)果對比

分別對上下拔模模型和左右分模模型進(jìn)行載荷下的有限元強(qiáng)度分析，前者的最大應(yīng)力位于頭部錐孔大端，后者的最大應(yīng)力位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂后部本體處。上下拔模較左右分模減重效果更為明顯，且最大應(yīng)力、最大位移也更優(yōu)。

4 結(jié)語

通過對某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行基于拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)，分析和介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型的建立方法，得到了基于初始模型的減重方向，并完成減重方案的設(shè)計(jì)與對比分析，可以有效指導(dǎo)并應(yīng)用于后續(xù)類似轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)節(jié)臂的輕量化設(shè)計(jì)工作。