何家盼　何俊藝

摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化展開了仿真分析。首先，針對不同的工藝約束，建立了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過比較不同拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的區(qū)別和優(yōu)劣勢，選取了最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化建模方法。隨后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，建立了工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模。實驗結(jié)果表明，在所建立的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)下，得到了一種在工藝約束下最優(yōu)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，可為實際工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS 汽車轉(zhuǎn)向節(jié) 拓?fù)鋬?yōu)化 工藝約束 多目標(biāo)優(yōu)化 力學(xué)性能

ANSYS-based Simulation Analysis of Automotive Steering Knuckle Topology Optimization

He Jiapan，He Junyi

Abstract：Based on ANSYS software， this study carried out simulation analysis for the topology optimization of automotive steering knuckles. Firstly， according to different process constraints， the objective function of multi-objective topology optimization is established， and the optimal topology optimization modeling method is selected by comparing the differences and advantages and disadvantages of different topology optimization results. Subsequently， according to the topology optimization results， the numerical model of the engineered structure was established. The experimental results show that under the established multi-objective topology optimization objective function， an optimal automotive steering knuckle topology under process constraints is obtained， and the structure has good mechanical properties and stability， which can provide a reference for practical engineering applications.

Key words：ANSYS， automotive knuckles， topology optimization， process constraints， multi-objective optimization， mechanical properties

1 引言

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計通常采用經(jīng)驗設(shè)計和試錯方法，存在設(shè)計時間長、成本高、效率低等問題，同時難以滿足不同工況下的需求。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，基于拓?fù)鋬?yōu)化的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)。在不同的工藝約束下，通過建立多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以快速高效地得到優(yōu)化結(jié)果，有效提高轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量。此外，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計還可以大幅減少設(shè)計時間和成本，提高設(shè)計效率和可靠性，同時降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化

2.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中非常重要的部件之一，主要起到連接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態(tài)。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設(shè)計上的局限性。而拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)則可以通過對結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的得到，進(jìn)一步提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量[1]。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計中的應(yīng)用

拓?fù)鋬?yōu)化作為一種優(yōu)化設(shè)計方法，在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用。通過對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，可以有效地提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低其重量和成本，并且能夠在保證其安全可靠性的前提下實現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計中的應(yīng)用主要包括兩個方面：一是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，二是對新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。無論是對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)還是新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化均可以有效地提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和使用壽命。因此，拓?fù)鋬?yōu)化在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計中的應(yīng)用具有非常廣泛的前景和重要的應(yīng)用價值。

2.3拓?fù)鋬?yōu)化的原理和方法

拓?fù)鋬?yōu)化的原理基于材料優(yōu)化理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，通過對結(jié)構(gòu)的材料分布和形狀進(jìn)行重新設(shè)計和優(yōu)化，達(dá)到在滿足一定約束條件下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、強(qiáng)度提高、剛性增強(qiáng)等多種優(yōu)化目標(biāo)的效果。拓?fù)鋬?yōu)化的方法通常包括以下幾個步驟：

建立結(jié)構(gòu)的初始模型和有限元模型，確定材料屬性和約束條件；在模型中選擇需要優(yōu)化的區(qū)域和參數(shù)，定義優(yōu)化目標(biāo)和約束條件；進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算，通過自動添加或刪除材料，調(diào)整結(jié)構(gòu)形狀和材料分布，實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的達(dá)成；對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評估和驗證，確定最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)；基于優(yōu)化結(jié)果，建立工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模[2]。

3 多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

3.1 工藝約束的考慮

在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計中，工藝約束是必須要考慮的因素之一。首先需要考慮到生產(chǎn)工藝的限制，如鑄造、鍛造、機(jī)械加工等。同時，還需要考慮到成本、重量、強(qiáng)度等方面的要求。在拓?fù)鋬?yōu)化中，要合理設(shè)置這些工藝約束，以保證最終的優(yōu)化結(jié)果能夠被實際生產(chǎn)并達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。例如，在進(jìn)行優(yōu)化時可以限制結(jié)構(gòu)的最大厚度和最小彎曲半徑，以避免生產(chǎn)過程中的加工難度和成本上升。同時，還可以加入材料成本、制造成本等因素的考慮，從而得到更加經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計方案。因此，在進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化時，充分考慮工藝約束是十分必要的。

3.2 多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的選擇

多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的選擇是該研究的重要內(nèi)容。在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計過程中，需要考慮多個因素，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、重量、剛度和成本等。因此，需要建立包含多個目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)的選擇過程中，需要根據(jù)設(shè)計要求和工藝約束進(jìn)行權(quán)衡。例如，在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量的情況下，可以選擇將材料的體積作為目標(biāo)函數(shù)，同時考慮材料的彈性模量和約束條件。

3.3 目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和意義

假設(shè)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的初始結(jié)構(gòu)模型為M，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型為M'，則多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

f（M'）=｛f1（M'），f2（M'），……fn（M'）｝

其中，fi（M'）表示第i個優(yōu)化目標(biāo)的值，n表示優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)量。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同需求和優(yōu)化目標(biāo)，定義不同的目標(biāo)函數(shù)。

例如，假設(shè)需要同時優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的重量和剛度兩個目標(biāo)，可以定義目標(biāo)函數(shù)為：

f（M'）=｛minimize Weight（M'），maximize Stiffness（M'）｝

其中，｛Weight｝（M'）表示汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的重量，｛Stiffness｝（M'）表示汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的剛度。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的意義是，通過拓?fù)鋬?yōu)化的方式，在滿足一定約束條件的前提下，同時實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)重量的減少和剛度的提高，從而達(dá)到輕量化和強(qiáng)度提高的目標(biāo)。

4 仿真分析

4.1 實驗設(shè)計

實驗樣品制備：根據(jù)所得到的最優(yōu)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印，制備出實驗樣品。實驗方案設(shè)計：以汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在工作狀態(tài)下所承受的力和力矩為實驗參數(shù)，通過對實驗樣品施加不同方向、大小的力和力矩，來模擬汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的工作狀態(tài)。實驗數(shù)據(jù)記錄：記錄實驗參數(shù)設(shè)置和實驗過程中的數(shù)據(jù)，包括實驗樣品的變形情況、應(yīng)變情況、應(yīng)力情況等。數(shù)據(jù)處理和分析：將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，比較實驗結(jié)果和仿真結(jié)果的差異，并對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析和可靠性分析。

4.2 實驗具體內(nèi)容

實驗樣品制備：根據(jù)所得到的最優(yōu)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印，制備出實驗樣品。

實驗方案設(shè)計：以汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在工作狀態(tài)下所承受的力和力矩為實驗參數(shù)，通過對實驗樣品施加不同方向、大小的力和力矩，來模擬汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的工作狀態(tài)。

實驗數(shù)據(jù)記錄：記錄實驗參數(shù)設(shè)置和實驗過程中的數(shù)據(jù)，包括實驗樣品的變形情況、應(yīng)變情況、應(yīng)力情況等。

數(shù)據(jù)處理和分析：將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，比較實驗結(jié)果和仿真結(jié)果的差異，并對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析和可靠性分析。

實驗樣品：

根據(jù)最優(yōu)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制備出實驗樣品，樣品尺寸為50mm×50mm ×30mm。樣品材料為鋁合金，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為250MPa。

實驗參數(shù)設(shè)置：

在實驗中，采用單向壓縮載荷方式，通過壓力機(jī)施加不同大小的壓力，來模擬轉(zhuǎn)向節(jié)在工作狀態(tài)下所承受的力和力矩。實驗參數(shù)設(shè)置如下：

壓力大?。?0N、100N、150N、200N。

受力方向：豎直方向。

壓力速率：2mm/min。

實驗次數(shù)：3次。

實驗數(shù)據(jù)記錄：

實驗過程中，采用應(yīng)變計和應(yīng)力計等儀器來記錄實驗數(shù)據(jù)，記錄的數(shù)據(jù)包括實驗樣品的變形情況、應(yīng)變情況、應(yīng)力情況等。實驗數(shù)據(jù)如下表1。

數(shù)據(jù)處理和分析：

通過對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，可以得到實驗樣品在不同壓力下的變形量、應(yīng)變量和應(yīng)力量。將實驗結(jié)果和基于ANSYS的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：

在實驗中，實驗樣品的變形量、應(yīng)變量和應(yīng)力量均隨著壓力大小的增加而增加，與仿真結(jié)果相符合。這說明所建立的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)確實能夠使得得到的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工藝約束下具有較好的強(qiáng)度和剛度性能，可以滿足汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在工作狀態(tài)下的要求。同時，實驗結(jié)果也驗證了基于ANSYS的仿真分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析和可靠性分析，可以得到實驗樣品的平均應(yīng)變量、平均應(yīng)力量和失效概率等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證明所得到的最優(yōu)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，還可以通過比較不同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的結(jié)果，來進(jìn)一步優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度和剛度性能。

5 最優(yōu)拓?fù)鋬?yōu)化建模方法的選取

5.1 建模方法的選擇原則

建模方法的選擇應(yīng)基于以下原則：一是能夠準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的物理特性，即能夠忠實地反映結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等特性；二是能夠滿足多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的需求，即能夠支持多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；三是能夠考慮各種工藝約束，即能夠滿足結(jié)構(gòu)加工、裝配和使用等方面的工藝要求；四是具有較高的計算效率和可擴(kuò)展性，即能夠快速進(jìn)行優(yōu)化計算，同時也能夠支持大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在選擇建模方法時，需要結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合考慮。例如，對于較為簡單的結(jié)構(gòu)，可以采用基于有限元分析的建模方法；對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以考慮使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件等高級建模工具。此外，在進(jìn)行建模方法的選擇時，還需要充分考慮優(yōu)化結(jié)果的可行性和可實施性，確保最終的優(yōu)化結(jié)果能夠得到有效實現(xiàn)。

5.2 建模方法的比較分析

在進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)鋬?yōu)化建模時，常見的建模方法包括有限元分析、拓?fù)鋬?yōu)化軟件等。有限元分析是一種基于數(shù)值模擬的建模方法，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的計算和分析，但在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時存在一定的局限性。拓?fù)鋬?yōu)化軟件則可以通過改變材料的分布和結(jié)構(gòu)形狀來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可以滿足多目標(biāo)優(yōu)化的要求。但其也存在一些缺陷，例如在考慮結(jié)構(gòu)加工和裝配等工藝約束方面可能不夠全面。因此，在選擇建模方法時，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮。

在比較不同的建模方法時，需要對其進(jìn)行綜合分析。例如，在計算效率和可擴(kuò)展性方面，有限元分析的計算速度較快，且對于大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算也具有較高的可擴(kuò)展性；而拓?fù)鋬?yōu)化軟件則在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時具有優(yōu)勢，同時也支持基于多種材料的優(yōu)化。在考慮工藝約束方面，有限元分析可以考慮加工和裝配等工藝要求，而拓?fù)鋬?yōu)化軟件也可以通過設(shè)定相應(yīng)的工藝約束來滿足實際需求[3]。因此，在進(jìn)行建模方法的比較分析時，需要綜合考慮不同的因素，選擇最為適合的建模方法。

5.3 最優(yōu)建模方法的確定

在進(jìn)行最優(yōu)建模方法的確定時，需要考慮多個因素，如建模精度、建模難度、計算效率等[3]。一般來說，可以通過建立不同方法的數(shù)值模型，進(jìn)行對比分析，從而選取最優(yōu)方法。在本研究中，我們采用了四種建模方法進(jìn)行比較分析，包括傳統(tǒng)有限元法、拓?fù)鋬?yōu)化有限元法、等效固體有限元法和拓?fù)鋬?yōu)化等效固體有限元法。通過對比分析，我們得出結(jié)論：拓?fù)鋬?yōu)化等效固體有限元法在建模精度、計算效率等方面表現(xiàn)最優(yōu)，是一種較為可靠的建模方法。因此，在后續(xù)的工程化數(shù)模建立過程中，我們選擇了拓?fù)鋬?yōu)化等效固體有限元法進(jìn)行建模。

6 模型建立

為了進(jìn)行基于ANSYS的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析，首先需要建立汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的3D模型。模型的建立過程包括模型的幾何約束的設(shè)置和網(wǎng)格劃分的內(nèi)容。

6.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的3D模型建立

6.1.1 模型建立軟件選擇

為了建立汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的3D模型，我們可以選擇一些專業(yè)的建模軟件，如Pro/E、Solidworks、CATIA等。這里我們選擇使用Solidworks進(jìn)行模型建立。

6.1.2 模型建立過程

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的3D模型建立過程如下：

（1）選擇合適的建模方式：在Solidworks中，可以選擇不同的建模方式，如基于特征的建模、直接建模等。根據(jù)需要選擇合適的建模方式。

（2）進(jìn)行幾何約束設(shè)置：在進(jìn)行建模之前，需要先對模型進(jìn)行幾何約束設(shè)置，保證模型的幾何形狀符合設(shè)計要求。

（3）進(jìn)行模型建立：按照設(shè)計要求進(jìn)行模型的建立。在建立過程中，需要注意模型的尺寸和形狀，以及模型的結(jié)構(gòu)和材料等因素。其3D模型圖大致如下圖2：

6.2 模型的幾何約束的設(shè)置

在建立汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的3D模型之前，需要對模型進(jìn)行幾何約束設(shè)置，以保證模型的幾何形狀符合設(shè)計要求。幾何約束可以分為兩類：點(diǎn)約束和面約束。點(diǎn)約束用于限制模型中的點(diǎn)的位置，而面約束則用于限制模型中的面的位置和形狀。

在進(jìn)行幾何約束設(shè)置時，需要考慮模型的設(shè)計要求和功能要求，以保證模型的幾何形狀符合實際需要。同時還需要考慮模型的制造工藝和裝配方式等因素。

6.3 模型的網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析之前，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型劃分為若干個小單元，以便進(jìn)行計算。網(wǎng)格劃分的精度和密度對計算結(jié)果有很大影響，因此需要根據(jù)仿真分析的要求進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，需要考慮模型的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料等因素，以保證網(wǎng)格劃分的精度和密度符合仿真分析的要求。同時還需要考慮計算成本和計算效率等因素，以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

7 結(jié)語

綜上所述，本研究基于ANSYS平臺對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析，并建立了工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模。通過多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立和對不同工藝約束下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的分析比較，我們選取了最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化建模方法。同時，我們提出了建模方法的選擇原則和評價指標(biāo)。本研究的主要貢獻(xiàn)在于將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用到汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計中，并提出了一套完整的拓?fù)鋬?yōu)化流程和方法。我們的研究結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計可以有效地提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和使用壽命，同時減小其質(zhì)量和體積。我們的工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模也為汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計和制造提供了有力支持。

基金項目：湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)秀青年項目：“汽車轉(zhuǎn)向節(jié)路試工況強(qiáng)度分析與優(yōu)化研究”（21B0884）。

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