基于增材制造的商用車后處理器支架拓撲優化設計方法

摘要： 為探究基于增材制造的拓撲優化設計方法在商用車輕量化領域的應用價值，將商用車后處理器支架作為試驗對象，通過拓撲計算、幾何重構、打印仿真分析等優化流程，提出了2種材料的優化方案設計，利用選區激光熔化（SLM）工藝完成實物增材制造。最終，2種方案均通過了8 000 km強化路臺架試驗驗證，結果表明，基于增材制造的拓撲優化設計方法滿足設計及性能要求。

關鍵詞：拓撲優化 增材制造 輕量化 商用車 后處理器支架

中圖分類號：U466 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240383

Topology Optimization Design Method of Commercial Vehicle Post Processor Bracket Based on Additive Manufacturing

Luo Chi， Zhang Yipeng， Xia Ji， Wang Zhongyang， Han Tao， Zhao Qiang

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： To explore the application value of topological optimization design method based on additive manufacturing in the field of commercial vehicle lightweighting， this paper proposes 2 types of optimization schemes through the optimization process of topological calculation， geometric reconstruction and print simulation analysis taking the commercial vehicle post processor bracket as the test object， and the Selective Laser Melting （SLM） process is utilized to complete the physical additive manufacturing. Finally， both schemes pass the verification of the 8 000 km enhanced road bench test， the results indicate that the topology optimization design method based on additive manufacturing fulfills the design and performance requirements.

Key words： Topology optimization， Additive manufacturing， Lightweight， Commercial vehicle， Post processor bracket

1 前言

在商用車領域的諸多技術發展路線中，整車輕量化不僅是實現節能減排的有效途徑[1-2]，還能提升能源利用效率，降低整車使用成本[3]。

在眾多輕量化設計方法中，拓撲優化設計因其高效、創新的優勢已廣泛應用于航空航天、汽車工業、生物醫學等諸多領域[4]。增材制造（3D打印）技術具有高自由度的工藝優勢，能最大程度地滿足拓撲優化復雜的制造需求。孟亮等通過拓撲優化設計實現了航空發動機外部系統支架質量降低15%、結構剛度提升20%的增益效果，并運用增材制造完成裝配結構一體化制造，提升了航空發動機裝配質量與效率[5]；李英杰等結合拓撲優化設計與增材制造技術，完成一體化多功能輕量化機載雷達結構的制造，在滿足質量要求的同時大幅提升散熱性能[6]；李超等采用拓撲優化設計，得到滿足一定性能要求并減重15%左右的商用車底盤車架結構，計劃采用增材制造加以實現[7]。綜上所述，拓撲優化設計與增材制造工藝相結合有望實現產品的最佳輕量化效果。

2 基于增材制造的拓撲優化流程

本文的拓撲優化以提升汽車輕量化效果為目標，在滿足載荷工況、工藝約束等條件下，計算出最優的材料分布方案，作為模型重構與迭代的參考，并結合性能分析，完成零件的拓撲優化設計。

后續增材制造應用選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）工藝來實現，該工藝通過高功率激光束將金屬粉末逐層熔合成型，具有精度高、性能強、結構自由度廣的優點。基于增材制造的拓撲優化設計流程如圖1所示。

3 項目背景

考慮到SLM的工藝特點以及未來量產的需要，選擇結構成熟、工況復雜、尺寸≤400 mm的商用車功能類結構件作為試驗對象。本文選用商用車后處理器支架開展設計及制造驗證。由于鑄造工藝限制，其在結構設計方面已不具備輕量化空間，如圖2所示。該支架尺寸為300 mm×145 mm×55 mm，材料為QT550-6，質量為3.248 kg。

該支架與其附支架是將后處理器總成固定在車架縱梁上的主要連接件，共同承載后處理器總成運動過程中產生的沖擊力，具體裝配形式如圖3所示。后處理器總成質量為121 kg，結合前期路試試驗結果，得出其在各工況下的疲勞載荷，如表1所示。

4 基于增材制造的拓撲優化設計

4.1 明確邊界條件

4.1.1 最大化設計域

拓撲優化計算前，應明確劃分支架的設計域與非設計域。設計域是指需進行拓撲計算的初始結構，而非設計域不參與優化、材料分布不發生改變。為充分發揮拓撲優化的潛力，保證約束及載荷準確、有效地傳遞到結構上，對設計域進行最大化處理，即設計域擴展為在實際裝配和運動中與其他零件不發生干涉的最大設計輪廓[8]。通過拓撲計算，得到支架的最佳材料分布方案，零件的制造和裝配工藝性也要作為約束條件，避免生成的全新材料分布無實用價值，失去重構與迭代的意義。

鑒于支架與車架縱梁、后處理器之間的裝配關系，支架的裝配孔位劃分為非設計域，最大化設計域，方案如圖4所示。

4.1.2 定義材料

為驗證基于增材制造的拓撲優化設計方法的普遍有效性，考慮到SLM與傳統工藝在材料應用上的差異，本文選擇316L不銹鋼與TC4鈦合金2種材料進行支架的優化及制造，分別設為優化支架1和優化支架2，具體材料性能對比如表2所示。

4.1.3 定義載荷

根據零件具體裝配關系構建空間拓撲計算模型，用“質量點”的形式替代后處理器總成，同時完成載荷定義，具體如圖5所示。

4.2 拓撲計算

明確邊界條件后，將后續打印及后處理的工藝便捷性、形狀控制、輕量化效果和性能參考價值作為約束條件，計算目標設定為最大化剛度。

計算后，以安全系數作為衡量指標，對計算結果進行分析，判斷依據為安全系數小于1的區域不超過整體的30%，即為滿足重構參考的要求，結果有效。

優化支架1和優化支架2的計算結果均有效，如圖6所示。

4.3 幾何重構

根據拓撲優化的計算結果，完成數模的幾何重構，該過程保證重構的結構不超過最大設計域，避免出現薄壁、細棒、尖角等特殊結構影響后續打印。

對安全系數較低或較高的區域，合理地進行增加或刪減，最終的優化結構如圖7所示。對比初始支架，優化支架1質量為2.77 kg，降低14.7%，優化支架2質量為1.81 kg，降低44.3%。

4.4 性能分析

幾何重構后，對優化結構進行性能分析，評估指標為安全系數、屈服應力與米塞斯等效應力的比值，當2項指標均≥1時，支架性能達標。安全系數計算如下：

[n=σu[σ]] " （1）

式中：n為安全系數，σu為極限應力，[σ]為許用應力。

本文分析過程中，將米塞斯等效應力視為許用應力，屈服應力視為極限應力，兩者比值也作為評價性能的參考。觀察支架在各工況下的安全系數、米塞斯等效應力，若所有位置的安全系數大于1或所選材料的屈服應力大于米塞斯等效應力則視為滿足零件的性能要求。

綜上，分析結果如下：

a. 各工況下的安全系數如圖8所示，優化支架1的安全系數最小值為1.124，優化支架2的安全系數最小值為1.418，均滿足性能要求。

b. 各工況下的米塞斯等效應力如圖9所示，優化支架1的米塞斯等效應力最大值為369.8 MPa，316L的屈服應力400 MPa，比值gt;1，優化支架2的米塞斯等效應力最大值為915.5 MPa，TC4的屈服應力為930 MPa，比值gt;1，均滿足性能要求。

c. 綜合安全系數與米塞斯等效應力的比值結果分析，當垂直工況載荷為-6.5 g時，目標支架穩定性最差，且2種優化支架均在此工況下產生最大位移，分別為1.395 mm與4.336 mm，如圖10所示，有一定的失效風險，還需結合CAE仿真軟件進行安全系數分析。如圖11所示，其安全系數最小值分別為1.13和3.39，均滿足性能要求。

5 實物驗證

5.1 零件打印

零件性能分析完成后，通過SLM工藝實現零件的制造。為保證零件打印質量、實現設計與制造的一致性，打印前進行仿真分析。

設定最小化單層切片面積、零件平行于成形方向2條工藝要求為方案約束條件，并結合成本、質量等維度選擇最佳打印方案。

4種方案依據45°擺放原則，具體支撐及擺放形式如圖12所示：優化支架1橫向擺放的支撐質量約為0.33 kg，縱向擺放的支撐質量約為0.15 kg；優化支架2橫向擺放的支撐質量約為0.135 kg，縱向擺放的支撐質量約為0.068 kg。

對上述4種工藝方案進行打印仿真分析，具體分析結果如圖13所示，變形集中區域均已標注。圖13a所示的優化支架1橫向擺放整體變形幅度區間為-0.59～0.42 mm（負值代表該區域向內收縮，正值代表該區域向外擴張）；圖13b所示的優化支架2橫向擺放整體變形幅度區間為-1.81～1.14 mm；圖13c所示的優化支架1縱向擺放整體變形區間為-0.55～0.40 mm；圖13d所示的優化支架2縱向擺放整體變形區間-1.27～0.93 mm。結果表明，2種優化支架縱向擺放仿真的變形幅度與極值的絕對值比橫向擺放小，且大部分區域變形較為規律，更易控形。

結合上述分析，優化支架1、優化支架2均采用縱向擺放進行打印，實物如圖14所示。

5.2 臺架試驗

5.2.1 載荷譜采集

本文基于某車型開展試驗場強化路載荷譜采集，選取后處理器總成的相關測點布置傳感器，采集實車在試驗場強化路行駛過程中的響應信號，作為臺架試驗的期望響應。后經濾波、去除毛刺及趨勢項等數據處理后得到臺架試驗的期望響應，作為臺架系統模擬迭代的目標信號。

當優化支架在臺架上產生的振動響應信號與目標信號的誤差值達到模擬迭代精度要求時，生成的臺架驅動信號可作為臺架耐久性驗證的最終驅動信號，驅動臺架進行耐久性驗證。

5.2.2 臺架耐久性驗證

本文利用總成多軸加載試驗系統，搭建后處理器總成支架6通道多軸加載道路模擬試驗臺架，并參考實車裝配關系將后處理器總成及后處理器支架搭載在模擬車架上，如圖15所示。

通過系統模擬迭代獲取臺架的驅動信號，驅動臺架對優化的后處理器支架進行耐久性試驗，對每種支架模擬強化路里程8 000 km。優化支架1、優化支架2均通過了當量8 000 km的強化路臺架試驗驗證且過程中均未損壞，因此，判定為試驗通過。試驗后的支架如圖16所示。

6 結束語

本文通過基于增材制造的拓撲優化設計方法，在保證零件性能、功能要求的基礎上，完成了2種商用車后處理器支架的輕量化優化設計，相比于初始支架，質量分別減輕14.7%、44.3%。

基于增材制造的拓撲優化設計方法能夠合理、高效地實現商用車功能類結構件的輕量化，隨著拓撲優化和增材制造技術的不斷發展，將在商用車輕量化領域發揮作用。

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