車身懸置支座拓撲優化研究

陳軍，朱訓德，李樂艷

(1.福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

車身懸置支座拓撲優化研究

陳軍1，朱訓德1，李樂艷2

(1.福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

應用拓撲優化設計方法對某型工程車的車身懸置支座進行優化設計，得到一款造型美觀、材料最省、成本低、強度和剛度性能優的車身懸置支座。表明拓撲優化設計對于汽車零部件的輕量化設計意義重大，可以實現以最少的材料、最低的成本達到最優的結構性能的目的。

車身懸置；拓撲優化；輕量化

0 引言

隨著計算機虛擬仿真技術和結構優化理論的發展，汽車零部件的設計優化也日益進步。將先進的計算機虛擬仿真技術引入到汽車零部件優化設計中將大大提高汽車零部件的材料利用率，實現使用最少的材料達到最優性能的目的。結構優化設計又可以分為尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。目前，尺寸優化的理論和應用已趨于成熟，形狀優化的理論已經基本建立，正在著重解決實際應用方面的問題。結構的拓撲優化由于其理論和計算的復雜性而成為結構優化設計中最富挑戰性的研究領域[1]。拓撲優化就是通過設計材料在結構內的合理分布，實現結構某種性能的最優。一方面拓撲優化大大減少了建模方面的工作量，另一方面它可以在改善或保持結構性能的基礎上大大減輕結構的質量。近年來，隨著汽車工業的快速發展、日益突出的能源問題和為了滿足對汽車設計的新要求，對汽車零部件和機械結構開展拓撲優化設計具有重要的意義[2]。文中以某型工程車的車身懸置支座為研究對象，引入拓撲優化設計方法，利用先進的計算機虛擬仿真技術對它進行全新的拓撲優化設計。全新設計一款造型美觀、材料最省、成本低的車身懸置支座，達到通過引入拓撲優化設計這一方法實現使用最少的材料實現最優性能的目的。此方法可以拓展和推廣至汽車其他零部件的設計中去，對于汽車零部件的輕量化和降成本設計意義重大。

1 拓撲優化分析模型的建立

1.1 拓撲優化空間的建立

某型工程車原始車身懸置支座為一板焊件結構，如圖1所示。根據此支座的結構和空間布置特點，進行拓撲優化空間的建立?？紤]新開發支座將進行鑄造，因此取消其上的L形板結構。建立的拓撲優化空間如圖2所示。

圖1 原始車身懸置支座圖 圖2 車身懸置支座拓撲優化有限元模型圖

1.2 優化分析邊界條件和材料屬性

此工程車車身的質量約為1 t，車身后支座承受的垂向力約為2 500 N,制動時承受的切向制動力約為1 000 N。車身后支座將采用ZG270-500材料，其材料特性如表1所示。

表1 ZG270-500材料特性

1.3 優化參數與優化目標設定

將采用Optistruct軟件進行拓撲優化的虛擬仿真計算，通過定義設計目標、約束條件等來實現最佳的材料布局，從而達到車身后支座應力降低、剛度提升、輕量化設計的目的。

設置的優化目標為支架剛度最大化，設置的約束條件為優化后所保留的體積與原來值的比不低于0.3，設置的優化區域為除了支座安裝固定孔面和車身固定孔面以外的所有區域。

將其離散化后，并且施加約束和載荷邊界后建立的有限元拓撲優化分析模型如圖2所示，下端約束處為支座安裝固定在車架上的安裝孔，上端載荷加載處為車身固定安裝處。

2 拓撲優化分析計算

建立分析模型后，對其進行優化迭代計算，大約經歷40步迭代計算后得出最優的計算結果，其目標函數迭代流程曲線如圖3所示。得出的拓撲空間計算結構如圖4所示。

圖3 目標函數迭代歷程

圖4 優化后材料密度分布云圖(多視角示意圖)

可見其大體呈一y形支撐結構，并且支座中間材料基本被去除，只留下側面材料。

3 拓撲優化結構設計

根據上文的計算結果，根據支座的安裝支撐功能等其他使用要求，對它進行了全面的結構優化設計，最終設計出的車身懸置支座鑄件模型如圖5所示。

圖5 車身懸置支座拓撲優化模型圖

4 性能評估

為了評估新設計車身支座的性能，從強度、剛度和質量成本等對它進行對比分析。對比結果如表2所示,可看出：經過拓撲優化設計出的支座不但結構美觀，而且強度方面最高應力比原來要低97 MPa，剛度方面變形要比原來低0.09 mm，質量要比原來輕3 kg，降重達1倍以上，支座成本降低11元。優化結構強度與剛度性能如圖6所示。

表2 拓撲優化結構性能對比評估表

圖6 優化結構強度剛度性能云紋圖

5 結論

使用先進的拓撲優化設計手段和計算機虛擬設計手段，以某型工程車車身懸置支座為研究對象，成功設計出一款結構美觀、質量輕、強度剛度性能優、成本低的車身懸置支座。表明此種設計方法對于汽車零部件的輕量化設計意義重大，可以實現以最少的材料、最低的成本達到最優的結構性能的目的。

【1】馮楨，于濤，曾齊福．拓撲優化方法在產品設計中的應用探索[J]．機械設計與制造，2007(3)：138-139． FENG Z,YU T,ZENG Q F.Application and Attempt of Topology Optimization in Design[J].Machinery Design & Manufacture,2007(3)：138-139．

【2】劉慶，侯獻軍．基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結構拓撲優化設計[J]．裝備制造技術，2008(10)：42-44． LIU Q,HOU X J.Structure Topology Optimization Design of Vehicle Parts Based on HyperMesh/OptiStruct[J].Equipment Manufacturing Technology,2008(10)：42-44．

Research on Topology Optimization Design of Vehicle Body Mount

CHEN Jun1, ZHU Xunde1,LI Leyan2

(1.Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410129,China； 2.Beijing Automobile Zhuzhou Branch,Zhuzhou Hunan 412007,China)

The topology optimization design method was used to optimize the design of the body mount support of a certain engineering vehicle. A mount support with attractive appearance,material saving, low cost, excellent strength and stiffness was gotten.It is shown that the topology optimization design is of great significance for the lightweight design of automotive parts,the goal that achieving the best structural performance with minimal material and lowest cost is realized.

Body mount;Topological optimization;Lightweight

2017-02-13

陳軍(1983—),男，學士，研究方向為整車總布置設計、車架及相關零部件設計、產品管理、市場研究管理。E-mail:chenjun4@foton.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.009

U463.83+1

A

1674-1986(2017)06-033-03