基于免组装有限元的悬架控制臂拓扑优化

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1、基于免组装有限元的悬架控制臂拓扑优化摘要：为了提高拓扑优化在实际工程应用中的速度，将一种基于拓扑灵敏度的拓扑优化算法与免组装有限元法结合，对汽车悬架控制臂进行多工况拓扑优化.该方法使用一致的体素单元划分网格，用压缩共轭梯度法加速有限元的求解，得到结构的应力和应变场，从而获得拓扑灵敏度场，用来控制结构拓扑变化.通过添加多工况优化以及加工约束功能，使该方法更符合工程应用的要求.通过对比，该方法和商用软件能够获得性能接近、形状相似的优化结构，而整个优化过程的速度有显著提高.关键词：悬架控制臂；多工况拓扑优化；免组装有限元；体素化；压缩共轭梯度法；拓扑灵敏度中图分类号：U463.

2、33文献标志码：ATopologyOptimizationofSuspensionControlArmBasedonAssembly-freeFiniteElementMethodBIANXiang，FANGZongdeAbstract：Asuspensioncontrolarmwasoptimizedbytopologyoptimizationundermulti-workingcondition.Inordertoimprovethespeedoftopologyoptimizationforpracticalengineeringproblems，atopology

3、optimizationmethodbasedontopologicalsensitivitywascombinedwithanassembly-freefiniteelementmethod.Thestructurewasdiscretizedviauniformvoxels.Adeflatedconjugategradientmethodwasusedtoacceleratethefiniteelementanalysis.Afterthefiniteelementanalysis,thestressandstrainfieldcanbeusedtogeneratet

4、hetopologicalsensitivityfield，andthetopologicalsensitivityfieldcanbeusedtocontrolthechangeoftopology.Multi-workingconditionoptimizationandmanufacturingconstraintswereusedtomakethemethodmoresuitableforpracticalproblem.Thecomparisonshowsthatthemethodcanresultinthecloseperformanceandsimilars

5、hapeofoptimizedstructuretothecommercialsoftware.Meanwhile，thespeedoftheentireoptimizationisincreasedsignificantly.Keywords:suspensioncontrolarm；topologyoptimizationundermulti-workingcondition:assembly-freefiniteelementmethod；voxelization；deflatedconjugategradient；topologicalsensitivity令p量

6、化设计是汽车设计中的一项重要内容，对于降低重量、提高性能、降低油耗等有重要作用.拓扑优化技术在汽车结构的轻量化设计中运用越来越多，拓扑优化能在结构设计的初始阶段提供一个概念性设计，使结构在布局上采用最优方案，改变了以往的设计、校核、修改这样一个不断反复的开发流程，可以提高设计效率和质量，缩短研发周期，降低成本.近年来，拓扑优化技术逐渐成熟，国内外研究较多的有固体各向同性材料惩罚法［1］，进化结构优化法［2-3］，水平集法［4-5］等.其中SIMP方法基于有限元法，给每个单元赋予伪密度，通过优化各单元的伪密度来达到优化目标［6］.由于其概念简单，算法容易实现，被推广应用于多

7、材料、多工况、多物理场等多种实际问题中，成为主流的拓扑优化方法之一［7］.目前，常用的商用拓朴优化软件如Hyperworks和ANSYS都采用SIMP方法进行拓扑优化.国内有许多研究使用Hyperworks进行汽车零部件的拓扑优化设计，文献［8-11］使用Hyperworks对转向节、悬架控制臂、发动机悬置支架、车架等汽车结构进行了拓扑优化设计.如今，拓扑优化技术发展的挑战之一是计算速度［12］，尤其是对于大型有限元模型，比如对于上百万自由度的优化问题需要数小时甚至数天来完成.文献［12-14］提出了一种基于拓扑灵敏度的拓扑优