4.2 导向臂支架的优化设计
在HyperMesh中把离散后的有限元模型划分成设计区域和非设计区域,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HyperView中进行后处理,最后利用RADIOSS求解器对重新设计的优化模型做性能分析。
4.2.1 设计空间和非设计空间
采用变密度法的连续体结构拓扑优化方法对该导向臂支架进行优化设计。单元相对密度的上下限分别为0.0和1。进行拓扑优化时,必须先确定拓扑对象的设计空间和非设计空间。设计空间为需要拓扑优化的区域,也就是设计变量,而非设计空间则是在拓扑优化过程中结构保持不变的区域。一般螺栓连接部位为非设计空间,而设计空间的确定以原结构为基础,根据零部件与周围相连部件间的静态装配关系、运动关系等条件,在保证零件之间不发生干涉的情况下尽量给出简单的设计空间。基于以上原则,而且保证在拓扑优化过程中有很大的拓扑空间,复合空气悬架导向臂支架的拓扑优化空间如图5所示。
图5 导向臂支架拓扑优化空间
4.2.2 导向臂支架的拓扑优化
该导向臂支架拓扑优化主要综合考虑3 种载荷工况下结构全局应力约束、某些关键点的位移约束和体积比约束等。模型全局应力约束上限值为280MPa,设定导向臂支架的体积比上限为0.5,即最多保留拓扑模型总体积的50%,另外保证优化后模型第一阶频率不低于原结构,设定载荷集中点的位移约束为最大位移1.5mm;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。
4.2.3 导向臂支架的优化结果
利用HyperWorks 中的OptiStruct 平台进行某重型货车复合空气悬架导向臂支架的拓扑优化,共经过59次优化迭代后结果收敛,图6 为导向臂支架拓扑优化优化空间的材料密度分布云图。
图6中深色区域为可除大部分材料,材料密度值接近0,浅色区域为结构需保留区域,密度值接近于1。其他颜色区域为中间区域,这些区域可去除部分材料。
把拓扑优化结果通过OptiStruct提供的OSSmoot工具进行提取,该工具可将拓扑优化结果以iges 格式直接输出,输出后的几何模型如图7所示。
图6 导向臂支架拓扑优化结果
图7 导向臂支架经OSSmooth提取的几何模型
根据拓扑优化结果,并考虑工艺和设计经验,在CATIA 软件中对原模型进行修改,得到的优化模型如图8所示,新的导向臂支架的质量为18.29kg,较原结构质量减少2.72kg,减轻质量约13%。