基于Hyper Works的汽車前副車架拓撲優化設計

鄭松林，王 鑫，馮金芝，王晨均，王成龍

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海200093；2.機械工業汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海200093；3.上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

0 引 言

副車架作為汽車底盤系統的重要部件，與車身和懸架系統相連，主要作用是提高底盤剛度，衰減路面震動的傳入，使汽車具有良好的操縱穩定性和舒適性。近年來，隨著輕量化技術的發展，副車架的設計要在滿足其強度與剛度的前提下，盡量減輕其質量［1］。

傳統的汽車副車架設計大多是憑借設計者的經驗，或者采用類比的方法設計出產品的最初結構方案，然后進行結構的CAE分析，如不符合要求，再修改設計重新分析，直至滿足要求，這種設計方法往往導致局部強度不斷增大，整體強度分布不均，材料的強度特性得不到充分利用，總質量過大。因而，傳統的設計方法只是被動的重復分析產品的結構性能，不能主動地設計產品的形狀和結構參數。

在汽車副車架結構設計之初，采用拓撲優化設計，可以找到最好的產品拓撲或材料分布情況，為設計者提供一個概念設計的方案，不僅可以加快設計周期，節省材料，還可以在滿足強度和剛度要求的前提下達到輕量化的目的，對于改善汽車副車架的設計具有重要的意義［2-3］。

本文以某汽車前副車架為例，引入拓撲優化技術，制定拓撲優化分析流程，并建立該副車架設計空間的有限元模型，在Hyper Works軟件的Optistruct模塊中進行拓撲優化，為該副車架的輕量化設計提供指導。

1 拓撲優化技術［4～7］

1.1 拓撲優化的原理

拓撲優化技術是在給定的材料和設計區域內，通過優化設計方法得到既滿足約束條件又使目標函數具有最優解的結構布局。

1.2 拓撲優化的理論依據

對于連續體結構的拓撲優化，目前較為成熟的方法有均勻法、變密度法、漸進結構優化法等。本文采用變密度法，其基本思想是將連續體的結構離散為有限元模型后，引入一種假想的材料，該材料的密度在［0，1］之間可變，然后以每個單元的密度為設計變量，將拓撲優化問題轉變為單元材料的最優分布問題。

變密度法可得到單元密度的等值面分布圖，應力大的單元密度高，應力小的單元密度低。之后，設計人員可根據該分布圖對結構進行調整，使得材料得到充分利用。

2 拓撲優化技術的設計流程［8］

進行拓撲優化之前，需要確定產品設計所允許的最大空間，即包絡面，然后定義產品的設計區域和非設計區域。之后建立包絡面的有限元模型，施加載荷及邊界條件，并定義設計變量、目標函數和約束條件。最后提交求解器計算。圖1為拓撲優化設計流程。

圖1 拓撲優化流程圖

3 某汽車前副車架結構設計要求

副車架在開發設計時，需滿足一定的剛度、強度、模態、耐撞性等要求，同時需要使其質量盡量減小。

剛度作為副車架設計的一個重要指標，其是否合理將直接影響汽車的整車性能。表1為整車廠對某前副車架各安裝硬點的剛度要求。

表1 某前副車架剛度要求

汽車在行駛過程中，副車架受到的是動載荷激勵作用，包括行駛過程中由于路面不平引起的隨機振動，以及發動機工作帶來的簡諧振動。當某一瞬間的激振頻率與副車架固有頻率接近時，會引起副車架的共振。共振會導致副車架的應力瞬間增大，可能會使某些部位產生破壞，同時也會產生很大的噪聲。因此，副車架的固有頻率及振型應盡量避開這些外部激振力的主要頻率，在設計階段對副車架進行模態分析是保證其合理動態特性的基礎［9］。表2為整車廠對某前副車架各階模態的目標要求。

表2 某前副車架模態要求

4 某汽車前副車架的拓撲優化設計

4.1 拓撲優化空間的確定

考察該前副車架在整車中的空間位置和布置，根據整車廠提供的設計硬點以及間隙要求，確定前副車架的拓撲優化空間，如圖2所示。

圖2 某前副車架拓撲優化空間

4.2 拓撲優化空間有限元模型的建立

根據已確定的拓撲優化空間，在Hyper Mesh中建立有限元模型，采用4面體實體單元劃分網格，如圖3所示。

圖3 拓撲優化空間的有限元模型

4.3 拓撲優化設計區域的確定

進行拓撲優化之前，需要定義該副車架的設計區域和非設計區域。圖4所示為優化設計的邊界條件，其中副車架安裝區域即圓圈區域為非設計區域，其余部分為設計區域。

圖4 副車架的設計區域與非設計區域

4.4 拓撲優化參數設置

完成有限元建模后，需要在Hyper Mesh中對拓撲優化的參數進行設置。首先定義優化響應，由于剛度是結構件設計開發中最重要的一個指標，結構是否合理，模態能否滿足使用要求都由剛度決定，在產品設計中應首先予以考慮。本前副車架的設計主要考慮剛度性能作為優化的約束條件，同時還約束了前兩階模態。表3、表4分別為剛度以及模態約束條件。然后定義優化目標，本文以副車架質量最小為目標。

表3 某前副車架硬點剛度約束條件

表4 某前副車架模態固有頻率約束條件

4.5 拓撲優化結果

定義完拓撲優化相關參數后，遞交Optistruct求解，得到優化結果。圖5為拓撲優化迭代過程曲線，從曲線中可以看出，拓撲優化在迭代30次后收斂。圖6為優化計算得到的前副車架材料分布狀態。

圖5 拓撲優化迭代過程曲線

圖6 拓撲優化材料分布狀態

5 結 論

本文根據拓撲優化的理論依據，結合相關的工程經驗，總結出拓撲優化的一般流程。以某汽車前副車架為例，依據整車廠提供的前副車架結構設計要求，對該前副車架進行拓撲優化，得出該前副車架拓撲優化的材料分布狀態，為副車架的設計開發提供參考。

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