机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用

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1、机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用摘要结构拓扑优化通过在设计域内最优排布材料而得到具有优良性能的零件，在工程设计的初始阶段具有重要意义。当前结构拓扑优化研究大多集中在平面或简单三维结构，只能解决一些初始结构简单、优化设计域规则、优化约束单一的拓扑优化问题，因此，开展复杂三维结构的拓扑优化在工程应用方面的研究具有重要价值。本文在了解机械结构拓扑优化设计原理与方法的基础上和掌握HyperWorks软件的基础上，对基于变密度法的拓扑优化原理进行了详细研究。平衡轴支架是重型卡车后悬架系统中重要的传力部件，某型号重卡在产品质量跟踪中曾一度

2、发现平衡轴支架局部产生裂纹，有限元分析表明局部应力较高。本文将拓扑优化用于该车平衡轴支架的改进设计，旨在通过拓扑优化获得材料合理分配的拓扑结构形状。本文基于HyperWorks平台，在HyperMesh中建立平衡轴支架有限元模型，在Optistruct中定义了拓扑优化的设计区域、目标函数和约束条件，进行拓扑优化迭代求解。本文通过改变初始设计区域和约束条件进行了三种设计方案的优化计算，通过比较分析结果，选择最佳设计方案。根据拓扑云图建立优化后的平衡轴支架3D模型，并进行有限元分析。结果表明：优化后的平衡轴支架最大应力大幅度减小，应力分布更加均匀，而重量

3、却大幅度减轻，实现了轻量化，取得了显著的改进设计效果，充分说明拓扑优化是一种有效的结构优化方法，非常适用于汽车这类结构及受力复杂产品的零部件设计。关键词：拓扑优化，平衡轴支架，变密度法，有限元分析TopologyOptimizationofMechanicalStructureandItsApplicationinHeavyTrucksBalance-axleBracketstoImproveDesignAbstractStructuraltopologyoptimizationcanbeusedtooptimizethematerialarrang

4、ementsindesigndomaintoachieveabetterperformance．Itissignificantforproductdesignespeciallyintheconceptdesignphase．Presently,topologyoptimizationtechniquesforcontinuumstructuresaremainlyconcentratingonplaneorsimplethree—dimensionalstructure．Withsimpleinitialstructure，regularoptim

5、aldesigndomainandsingleoptimizationconstraint．Therefore，itisimportanttostudyontopologyoptimizationandapplyitinthedesignof3DcomplexstructureBasedonknowingaboutstructuraltopologyoptimization，learningHyperWorkssoftware，theprincipleofvariabledensitymethodwasdiscussedinthispaper．The

6、balance—axlebracketsareimportantloadingcomponentsintherearsuspensionsystemofheavytrucks，bythetrackingofproductqualitysomelocalcrackshadbeenfoundedinbalance—axlebracketsofacertaintypeoftruck，andtheresultoffiniteelementanalysisshowedthat，itsstressinsomelocalareawashigher．Topology

7、optimizationwasusedfortheimprovedesignofbalance—axlebracketsstructureinthispaper，inordertoobtainanoptimumtopologicalstructureandshapewithrationalmaterialdistribution．BasedontheplatformofHyperWorks，finiteelementmodelwasfoundinHyperMesh，anoriginaldesign-domain，theobjectivefunctio

8、nandconstrainsweredefinedinOptistruct，andobtaineditera