基于Optistruct的铝合金半挂车车架结构拓扑

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1、第33卷第1期四川兵工学报2012年1月【机械制造与检测技术】基于Optistruct的铝合金半挂车车架结构拓扑优化设计魏显坤，米林，万鑫铭，夏铭(1．重庆理工大学重庆汽车学院，重庆400054；2．中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆400039)摘要：介绍了拓扑优化方法的思想、过程及参数设置。在CATIA中建立车架三维模型，导入Hypermesh，划分网格，建立铝合金半挂车车架有限元模型，以体积比为约束，以最小应变能为目标，用OptiStruct软件对某铝合金半挂车车架横梁的位置和数量进行拓扑优化，为确定车架结构提供了参考，避

2、免了车架结构布置的盲目性。关键词：半挂车；车架；铝合金；结构拓扑优化中图分类号：U463．82文献标识码：A文章编号：1006—0707(2012)O1—0086—04半挂车作为物流运输的重要工具，将新材料和结构优化技化设计。术相结合来实现半挂车轻量化设计，具有重要的经济效益和社本文在概念设计阶段，用变密度法对某铝合金半挂车车架会效益。传统的汽车车架结构设计是设计者根据产品的定位，横梁的位置和数量进行拓扑优化，为最大限度实现车架轻量化参考相近车型，凭借以往的设计经验，设计出产品的初始结构，设计奠定基础。进行静、动态强度刚度校核，若

3、不符合要求，改进设计后重新分析，常导致车架局部强度加大，而整体强度分布不均，总体质量1变密度法拓扑优化模型[3,6-8]大。传统的结构设计方法被动地重复分析产品结构性能⋯，结结构拓扑优化的思想是将寻求最优拓扑结构的问题转化为构拓扑优化可以在概念设计阶段为设计者提供全新的设计和最在设计区域内寻求材料分布最优的问题。目前，常用的连续体优的材料分布方案，设计者可以有针对性地对结构进行设计。拓扑优化和传统设计流程的对比如图1所示。结构的拓扑优化方法有：均匀化方法、变厚度法、变密度法及进化结构法。均匀化方法假设连续体结构可用非均质的具有周期

4、性分布的微观结构和均质的宏观材料来描述，微观结构是单胞结构在微观尺度上周期性地重复而形成，周期性地重复导致材料的高度异质性。目前，均匀化方法可求解的问题类型有限，设计变量较多，灵敏度计算复杂，优化后的结构常含有多孔质材料。对变厚度法的研究较早，该方法简单，但只适用于平面结构，推广到三维结构有一定难度。进化结构法(ESO)基于进化策略，通过在优化过程中逐渐去除结构中的材料来获得优化结果，优化效率较低。本文用变密度法对铝合金车架进行拓扑优化设计。变密度法用连续变量的密度函数显式地表达单元的相对密度与材料的弹性模量之间的对应关系，这种方

5、法基于各向同性图1设计流程材料，不需要引入微结构及附加的均匀化过程，以每个单元的相在设计初始阶段需要大致确定车架结构，在最优拓扑结构对密度为设计变量，人为假定单元的相对密度与材料的弹性模未知的情况下带有一定的盲目性43。拓扑优化能在不知道结量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷工况确定比较中所指的密度是反映材料密度与材料特性之间对应关系的一种合理的结构，保证车架结构设计后续的尺寸和形状在最优的拓伪密度。变密度法中常见的插值模型有材料属性的合理近似模扑结构形式下进行，可以提

6、高材料的利用率，实现结构的轻量型(rationalapproximationofmaterialproperties，RAMP)、固体各向收稿日期：2011—10～15基金项目：YIW2012外流场CFD分析(2010084)作者简介：魏显坤(1985一)，男，硕士研究生，主要从事汽车现代设计理论与方法研究。魏显坤，等：基于Optistruct的铝合金半挂车车架结构拓扑优化设计87同性惩罚微结构模型(solidisotropicmicrostructureswithpenaliza—导入，划分网格。利用板单元来模拟板状结构精度较高

7、，板单元tion，SIMP)。RAMP或SIMP通过引入惩罚因子对中间密度值进节点数量少，求解速度快，计算简便，但板单元厚度定义之后，就行惩罚，使中间密度值向0—1两端聚集，使连续变量的拓扑优作为定值来计算，无法对厚度方向的结构进行优化。采用六面化模型能够很好地逼近0—1离散变量的优化模型，中间密度单体实体单元来划分网格，可得到更多的优化细节。本文以单元元对应一个很小的弹性模量，对结构刚度矩阵的影响变得很小。尺寸为50划分六面体实体网格，元素个数67355，节点个数变密度法人为地假定材料的宏观物理常数与密度间的非86800。检查实

8、体单元质量，长宽比aspect最大值1．42；雅可比线性关系。将连续体离散为有限元模型，假定每个单元内的密值(Jacobianratio)最低为1，网格质量达到了较高的要求。车架度相同，以每个单元的密度为设计变量，以结构的柔顺性最小为采用边梁式结构