宾凌_某载货车车架支座拓扑优化

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1、Altair2013技术大会论文集某载货车车架支座拓扑优化TopologyOptimizationforbracketofATruckFrame宾凌（东风柳州汽车有限公司柳州545005）摘要：本文借助OptiStruct软件得到某载货车车架支座的拓朴优化结果。再综合考虑制造工艺、装配工艺、成本等因素，改进原有拓朴优化结果，最终完成支座优化方案的设计。关键词：OptiStruct拓朴优化支座Abstract:OptiStructwasutilizedtooptimizethetopologyofthebracketofatruckframe.Thenconsid

2、eringthemanufacturingprocess,assemblyprocess,cost,andotherfactors,theoriginaltopologyoptimizationresultswereimproved,andthefinaloptimizationprogrambracketdesignwascompleted.Keywords:OptiStruct,TopologyOptimization,bracket1前言利用OptiStruct软件，设计者能够很快的了解零部件在满足约束条件下达到设计目标的最优结构，从而避免了设计者将过多时

3、间消耗在设计方案的尝试和修改上，有效的减少了零件开发周期，提高了设计的效率。因此OptiStruct软件在零部件结构优化中被广泛的应用。一种支座，装配于某载货车车架上，每个车架装配4个支座，4个支座相对于车架左右对称，见图1所示。该支座的作用是对车架做局部加强，由于轻量化需要，对该支座的结构重新进行优化设计，要求在强度不低于原结构条件下，降低支座的重量及成本。为设计出最优化结构，利用OptiStruct软件拓扑优化功能对该支座进行优化。-1-Altair2013技术大会论文集原支座结车构架图1支座结构及在车架上布置位置2支座受力工况分析由于支座装配于车架上，而车

4、架的受力较复杂，因此支座的外载条件不好确定，有必要先建立整个车架的有限元模型，然后分析车架的各个工况下支座的受力情况，找出对支座的强度影响较大的工况作为该支座的分析工况，最后再进行拓朴优化。由于分析的主要对象是加强支座，为减少运算成本，在建立车架有限元模型时，悬架、驾驶室、发动机等支架采用15mm一阶4面体网格划分，车架采用20mm一阶壳单元网格划分，而加强支座则采用较小的3mm一阶4面体网格划分。各零件之间的连接螺栓简化为RBE2刚性单元。整个车架有限元模型如图2所示。支座所在位置图2车架有限元模型对整个车架分别进行弯曲工况、左/右前轴扭转、左/右后轴扭转、制

5、动、左/右转向、-2-Altair2013技术大会论文集启动等工况有限元分析。发现所有扭转工况对支座强度影响较大，因此将左/右前轴扭转、左/右后扭转工况以及基础的弯曲工况作为支座拓朴优化分析工况。3支座拓扑优化的建模拓扑优化前，需要设计支座的拓扑初始结构，经验上，在不引起干涉问题和影响装配工艺的情况下，初始结构空间越大越好，结构形状越简单越好。空间越大越有利于OptiStruct计算最优的拓扑结构，而结构形状越简单，越容易划分精度较高的六面体网格。本例中，支座拓扑初始结构采用6mm一阶六面体单元来划分，结构如图3所示。紫色网格为非优化区域蓝色网格为优化区域图3支

6、座拓扑初始结构将支座的拓扑初始结构装配到整个车架有限元模型中，替换掉原支座。在OptiStruct中设置拓朴优化区域如图3所示，同时车架其它零部件也作为非拓朴区域。[1]依次设置拓扑参数：目标：加强支座加权柔度最小，各分析工况加权系数均取1.0；约束条件1：支座体积分数上限系数为0.3；约束条件2：由于该支座采用铸造工艺，必须考虑脱模方向，设置脱模方向如图3中Z向所示。根据经验，脱模方向对零件拓扑结果影响很大，设定脱模模方向时应结合实际的制造和装配工艺进行合理选择；[2]约束条件3：由于4个支座相对车架左右对称，对设计空间施加对称约束设置。4支座拓扑优化结果经过

7、拓扑优化后，最终拓扑结果如图4所示，由于该结果较抽象，还无法满足制造、装配工艺要求，因此，结合工艺、成本、美观等方面的考虑，进一步改进、完善支座的结构，最终优化方案如图5所示。-3-Altair2013技术大会论文集图4支座拓扑结果云图图5支座最终优化方案5支座拓扑优化前后结构强度对比为了检验支座优化方案强度是否满足要求，将支座优化方案有限元分析结果与原结构进行对比。各工况下优化方案与原结构应力分布如图6～图10所示。Max=137MPaMax=181MPa原结构优化方案图6弯曲工况下原结构与优化方案应力对比Max=255MPaMax=327MPa原结构优化方案

8、图7左前轴扭转工况下原结