基于hyperworks的重型车辆平衡轴支座优化设计

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1、基于HyperWorks的重型车辆平衡轴支座优化设计撰文/陕西重型汽车有限公司李博韬张克鹏本文基于Hyperesh建立了某重型货车平衡轴支座的有限元模型，利用RADIOSS求解器对其进行了有限元强度分析。在此基础上，利用基于变密度法的拓扑优化技术对平衡轴支座进行了优化设计。根据优化结果，对平衡轴支座进行了改进设计，改进后结构减轻质量41.9%，并对改进设计进行强度校核。结果表明，经过优化的平衡轴支座安全性能得到提高，质量减轻。一、前言平衡轴支座是重型车固定和安装平衡轴及纵向推力杆的部件，承受来自推力杆的纵向力

2、和平衡轴的垂向力,所以对其强度要求很高；近年来车辆轻量化的呼声愈来愈高，所以各类铸件支架等都要求在满足强度要求的情况下质量最小化。图1为某重型货车平衡轴支座。由于该支座质量较大，因此在轻量化改进过程中，有必要对其进行优化设计，以达到强度和减重的要求。本文就以该支座为分析对象，利用Altair公司Hyperesh对某重型货车平衡轴支座进行网格划分，由于平衡轴支座结构不规则，这里采用四面体单元，网格全局尺寸选择5mm，最终有限元模型共有节点数87108，实体单元数为342434，平衡轴支座有限元模型如图2所示。2

3、.约束边界条件模型中添加刚性单元（rigidbarelement）Rbe2来定义位移约束，添加刚性单元Rbe3来定义载荷作用位置。该平衡轴支座模型中共添加20处用于固定约束的Rbe2，分别位于支座上端及右端与车架连接处；3个用于载荷施加的Rbe3单元，位于支座右侧轴头及下端与推力杆连接处。3.载荷边界条件平衡轴支座在车辆重载、制动和重载制动3种典型工况下，所处工况比较恶劣，所以重点关注这3种工况。对整车进行动力学分析或者试验测试，可以计算或者测试出平衡轴支座处的作用力和作用力矩，表1为3种工况下，作用在某重型

4、货车平衡轴支座上的载荷，表1中的工况及载荷大小于整车厂对该型重卡平衡轴支座的试验测试。平衡轴支座的材料为球墨铸铁（QT450-10），其性能参数如表2所示。针对平衡轴支座3种载荷工况，利用HyperPa，位于平衡轴支座轴头根部上方节点42698位置，如图3所示，这与道路试验破坏位置相同。各工况的最大应力如表3所示。由图3和表3可知，平衡轴支座在极限重载制动工况时最大应力超过材料屈服极限310MPa，且该支座质量较大，不符合车辆轻量化设计需求，所以有必要对该平衡轴支座结构进行优化设计。三、拓扑优化数学模型简介拓

5、扑优化是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法，可采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用Homogenization(均质化)和Density(密度法)来定义材料流动规律。一般应用于产品结构设计的初始概念阶段，这方面目前国内外汽车业已经有了较多的研究成果。而对现有产品结构进行拓扑优化的研究相对较少，因为现有结构的造型已经形成，要在此基础上不降低结构强度，还要实现重量下降，在产品改进设计中具有十分重要的工程意义。优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件，他们根据不同的设计要求有

6、所不同。设计变量是在优化过程中发生改变的一组参数；目标函数即要求的最优设计性能，是关于设计变量的函数；而约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其它性能的要求，可以是体积、质量、节点位移、全局应力或频率等。目前常用的连续体拓扑优化方法有均匀化方法、变密度法和渐进结构优化法等。文中采用变密度法进行平衡轴支座的拓扑优化，其基本思想是引入一种假想的密度值在（0～1）之间的密度可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。若以结构变形能最小为目标

7、，考虑材料体积约束和结构的平衡，设计空间内各单元的相对密度为设计变量，则拓扑优化的数学模型为：式中，Xi{i=1，2，...，n}为设计变量；C为结构变形能；F为载荷矢量；U为位移矢量；f为剩余材料百分比；V为结构充满材料的体积；V0为结构设计域的体积；V1为单元密度小于Vmax的材料体积；Xmin为单元相对密度的下限；Xmax为单元相对密度的上限；K为刚度矩阵。在多工况的分析中，对各个子工况的变形能进行加权求和，目标函数变化为：minimize：C=Σesh中把离散后的有限元模型划分成设计区域和非设计区域，

8、定义设计变量，设计目标和约束条件，通过OptiStruct求解器对拓扑模型进行优化计算，在HyperViePa，设定平衡轴支座的体积比上限为0.3，即最多保留拓扑模型总体积的30%。另外，考虑设计零件的可制造性，使用脱模方向约束创建拓扑优化设计变量，允许模具沿给定方向滑动。3.平衡轴支座的优化结果利用Hyperesh后处理Post面板的OSSMooth命令光顺成ISO曲面，并以IGES格式导出作为下