针对导向臂支架的3种 载荷工况,分别对其进行有限元静强度分析。经过分析可知,转弯工况下的静态位移和应力最大,空气悬架导向臂支架最大应力为345. 7MPa,位于导向臂支架与车架连接孔下方节点67771 位置,如图4圆圈内所示。导向臂支架最大位移为1. 87mm,位于导向臂支架最下 端节点57位置。各工况的最大变形和应力如表4所示。
图4 导向臂支架转弯工况应力云图
表4 导向臂支架初始结构静强度分析结果
由图4和表4可知,导向臂支架在转弯工况时 候最大应力超过材料屈服极限310MPa,而在其他两个工况下,应力较小,远远低于材料的屈服极限,因此有必要对零件结构进行优化重构,使结构在各个工况下均满足强度要求。
4 导向臂支架拓扑优化
拓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Homogeniza-tion(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,还要实现重量的下降,在产品 改进设计中具有十分重要的工程意义。
4.1 拓扑优化数学模型
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,可以是体积或者质量、节点位移、 全局应力、频率等。
目前常用的连续体拓扑优化方法有均勻化方法、变密度法和渐进结构优化法等。文中采用变 密度法进行导向臂支架的拓扑优化,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,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:
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:
4.2 导向臂支架的优化设计
在Hypemesh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Opt is true t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RADI0SS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. 01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 导向臂支架拓扑优化结果
图6中蓝色区域 力可献部分材料,材 料密度值接近0,红色 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Opt is true t提供 的OSSmooth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。