基于逆向工程和拓撲優化的轉向節輕量化設計

何家林

（金肯職業技術學院，江蘇 南京 211156）

0 引言

新能源技術的快速進步使汽車工業邁向一個新臺階，在汽車零部件需求旺盛的同時，汽車制造商之間的競爭愈發的激勵，對質量要求日益嚴格。為此，大量新結構、新材料、新技術被應用于汽車零部件的快速研發。逆向工程與拓撲優化技術是一種用于復雜零件的結構快速設計技術，廣泛應用于汽車零部件輕量化設計，特別是結構輕量化、工藝輕量化等方面，對“雙碳”目標的實現有著重要的影響。研究人員對汽車零部件結構輕量化技術開展了廣泛的研究。王振東等[1]以某乘用車后下控制臂為研究對象，結合加工工藝等因素，針對向前緊急制動、過單側深坑、極限轉向等工況，通過Abaqus 開展拓撲優化設計，獲得了最優的減重方案；據此重構了后下控制臂三維模型，并對再設計的后下控制臂結構進行強度校核。黃英英等[2]基于折衷規劃法，構建板簧支架多工況拓撲優化模型，利用Hyperworks 實現了支架的結構輕量化設計。劉貽華[3]選取轎車輪轂為研究對象，在不削弱輪轂結構強度、剛度的前提條件下，對輪轂結構進行輕量化設計，并對優化后的模型進行彎曲載荷、徑向載荷、沖擊載荷及模態分析校核。吉思名[4]以雙帽型薄壁吸能結構為研究對象，首先基于樣件的沖擊仿真分析，將帽型結構的沖擊動能減少量折算為吸能率，然后選擇峰值應力、最大位移、能量吸收和損傷程度等參數評估鋁—碳化硅、鋁合金與Q235 等三種材料的沖擊穩定性，最終實現了輕量化設計。魯佳[5]基于蝠鲼在覓食中能主動避免碰撞、在安全范圍內可以加速的思想對已有的蝠鲼算法進行了改進，并選擇6 個典型測試函數對算法進行驗證，然后將該算法應用于汽車前橋輕量化設計中，實現了17%的減重目標。

轉向節是實現汽車車輪轉向的重要零件，是一種復雜的叉架類零件。在結構功能上，轉向節安裝有轉向節臂、制動卡鉗、懸架控制臂及輪轂等，轉向節耳孔通過主銷與前軸相連，使前輪可以繞主銷偏轉，從而控制汽車轉向。在傳力路徑上，主要起到傳遞汽車行駛過程中復雜多變的載荷，直接影響汽車的操縱穩定性、安全性及耐久性。因此，轉向節的設計必須既要滿足較高的強度與剛度要求，又必須滿足輕量化的需求。以汽車轉向節為研究對象，基于逆向工程與拓撲優化技術開展轉向節的輕量化設計。

1 轉向節數據采集與逆向建模

數據采集是逆向工程的首要環節，而轉向節表面質量的處理會直接影響點云數據的質量。轉向節上的1 個中心大孔和6 個耳孔表面光潔度較高，反光現象較為嚴重，需要噴涂顯像劑；轉向節的外表面是非工作表面，較為粗糙，色澤偏暗，也需要噴涂顯像劑以提高亮度。待噴涂晾干后，在需要貼參考點的部位，擦除顯像劑，粘貼參考點，用于點云數據的多視拼接。在完成表面處理后，運用手持式三維掃描儀對轉向節進行數據采集。在采集過程中，根據掃描效果，不斷調整轉向節的姿態，使得點云數據的質量盡可能地高。

由于轉向節結構較為復雜，尺寸較大，僅僅靠一次拍照是無法提取其全部特征，為此需要采用多視拼接的思路，進行多次掃描。將多張照片拼接到一起往往需要借助參考點。粘貼參考點時，需要注意如下幾點：參考點的尺寸規格要能被選用的三維掃描儀予以識別；參考點隨機、均勻地粘貼在物體表面，不能呈現規則排布；參考點粘貼在平面或曲面上，不應貼在邊緣上，也不能貼在曲率變化大的零件部位；參考點應能夠清晰可見，不能有遮擋或污損。一般情況下，參考點的粘貼要在噴顯像劑之后，是為了避免顯像劑污染參考點。因此，向轉向節粘貼參考點時，需要待噴涂晾干后，在需要貼參考點的部位，擦除顯像劑，粘貼參考點，用于點云數據的多視拼接。

基于轉向節結構的復雜性，需要制定其三維掃描策略。在掃描過程中，首先選一個能夠提取大部分幾何特征的姿態進行初次掃描；其次根據掃描效果，不斷調整轉向節的姿態，使得點云數據的質量盡可能地高。具體掃描過程如下：

（1）準備工作，準備好手持式三維掃描儀、數據線及電源線，連接電腦；要理順數據線，防止其干涉掃描人員掃描。

（2）開始掃描前，在轉向節下擺放一塊黑色的布，并且使轉向節處于靜止的穩定狀態。黑色的背景布是為了盡可能的地減少周圍環境的雜點被掃描進去，降低點云數據處理的時間。

（3）打開掃描軟件，啟動手持式三維掃描儀，將格柵式的激光線投射到汽車轉向節表面，然后利用借由CCD 相機成像，計算得到掃描對象表面的深度信息。在掃描過程中，通過觀察儀器指示燈顏色或電腦掃描軟件端實時處理的圖像，調整手持式掃描儀與轉向節之間的距離。手持式三維掃描儀的亮度設置也尤為重要，太亮或者太暗都會影響掃描儀獲取數據，掃描精度會受到影響。

（4）首先，掃描轉向節正面，能夠掃描到轉向節70%的表面特征，并獲得相應的點云數據；其次轉向節反面；然后，觀察轉向節缺失的特征，再進行針對性的補充掃描，在補充掃描時，可以借助輔助板掃描局部特征，最終獲得一個質量較高、數據較為完整的點云。

采集得到的轉向節點云數據如圖1 所示，不僅包含轉向節本身的點云數據，而且也包括了參考板的點云數據以及雜點?；贕eomagic Wrap 軟件，首先通過手工選擇刪除大多數的雜點，然后通過“非連接項”、降低噪音、全局注冊、統一采樣等命令，完成轉向節點云數據的優化，最后完成點云數據封裝。

圖1 處理后的轉向節點云數據

將封裝后的轉向節模型導入到Geomagic Design X 中，開展逆向建模工作。由于導入的模型與全局坐標系不統一，需要對其進行對齊處理。利用大孔中心線和端面，采用手動對齊的方法擺正轉向節模型?；贕eomagic Design X，運用面片草圖、拉伸、布爾運算等命令，依次完成中心大孔主體以及6 個連接耳孔特征建模，得到如圖2 所示的轉向節模型。

圖2 逆向得到的轉向節模型

2 拓撲優化

拓撲優化是在滿足強度、剛度、頻率等要求的前提下，獲取研究對象最佳的材料分布。受到制造工藝的限制，對研究對象進行拓撲優化時，需要引入工藝約束，如對稱、單向拔模、雙向拔模等等。拓撲優化可以分為連續體拓撲優化和離散結構拓撲優化。在連續體拓撲優化中，變密度法、均勻化方法、漸進結構法、水平集法等被廣泛應用于工程實際中。本研究用變密度法對轉向節進行拓撲優化。

2.1 數學模型

對轉向節進行拓撲優化，設計變量為設計域中單元密度，在達到應力約束、位移約束條件時，找到最小的支架體積。可以通過如下數學表達式（1）形式表達：

式中，F為載荷矢量，u為全局位移矢量，u* 為位移約束，K為全局剛度矩陣，σ為應力約束，ρ為設計變量，V為結構體積，σ為von-Mises 應力矢量。

利用固體各向同性材料懲罰模型（SIMP），單元相對密度取值在0～1 之間。為了避免計算出現奇異性情況，最小單元相對密度ρmin為0.001。另外，懲罰因子（P）大于1（P 一般情況下等于3），從而將中間單元密度值向兩個邊界引導。每個單元的彈性模量按如下公式（2）計算：

式中，ρ為1 時的楊氏模量，E0是相對密度。

2.2 確定優化邊界與目標

選取0.6g 的應急剎車狀態條件進行分析，受力情況見表1。

表1 0.6g 加速度制動工況下轉向節受力情況

為了確定轉向節優化的邊界，需要對轉向節開展靜力分析。將轉向節模型導入Altair Inspire，施加表1所列的載荷，并約束住轉向節中心圓孔。

如圖3 所示，應力最大值出現在上支撐臺處，約為261 MPa，遠小于40Cr 材料的強度極限；如圖4 所示，最大變形發生在上橫臂外的位置，最大變形量約為0.56 mm。

圖3 轉向節von-Mises 應力云圖

圖4 轉向節變形云圖

在多輪試算與估計的基礎上，將轉向節質量減重目標定位30%。在拓撲優化中，根據轉向節裝配要求與設計經驗，重構出轉向節優化設計空間。據此，基于Altair Inspire 完成轉向節拓撲優化，如圖5 所示。

圖5 轉向節拓撲優化結果

2.3 數值驗證

根據拓撲優化結果，考慮機械制造工藝，重構得到轉向節模型。參照表1 的載荷，對其重新進行強度分析，得到了優化后的轉向節應力云圖與變形云圖，分別如圖6、圖7 所示。

圖6 優化后von-Mises 應力

圖7 優化后位移圖

從圖6 可知，轉向節最大應力為421.1 MPa，滿足強度要求；最大位移為0.321 mm，與之前相比變小了。與原方案相比，改進后的轉向節質量降低了2.682 kg，基本上達到了30%的減重目標。

3 結語

采用結構輕量化設計技術能夠有效減少汽車燃油消耗，有利于實現“雙碳”目標。先基于逆向工程獲得了原有轉向架的三維模型，然后采用拓撲優化技術對汽車轉向架進行了輕量化設計，實現了減重約30%的設計目標，研究結果可為相關設計提供參考。