基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control Arm

Based on OptiStruct

金莹莹

麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司上海 201807

摘 要：本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了优化前后结构的应力和位移。结果表明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求，并实现了轻量化的性能需求，体现了拓扑优化技术的工程价值。

关键词： OptiStruct拓扑优化控制臂强度

Abstract：The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords：OptiStruct, topology optimization, control arm, strength

前言

随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义。汽车控制臂是汽车悬架系统中重要的安全件和性能件，它直接影响悬架系统的性能，以至整车的行驶平顺性和操纵稳定性。因此对控制臂的优化显得尤其重要。

结构优化通常有拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化等，其中尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟[1]，但对结构优化所起的作用有限。拓扑优化是在工程设计的初始阶段为设计者提供概念性设计，通过拓扑优化，得到既满足约束条件又使目标函数最优的连续体布局形式，所产生的结果是全局最优解。本文利用拓扑优化技术对汽车控制臂进行了优化设计，取得了良好的设计效果。

1 拓扑优化数学模型简介

目前连续体结构拓扑优化技术主要有三种，即均匀化方法、变密度方法和变厚度方法，其中，变密度法是经常用到的一种方法。所谓变密度法就是引入一种假想的密度值在[0, 1]之间的密度可变的材料，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，目的是减轻结构质量或提高结构性能[2]。当每个单元的相对密度X i=0时，表示该单元无材料应删除（即孔洞）；当每个单元的相对密度X i=1时，表示该单元有材料应保留或增加（即实体）。拓扑优化时，应尽量使设计区域内的材料的密度为0或1。

若以结构的柔度（变形能）最小为目标，考虑材料的体积约束（质量约束）和结构的平衡，那么拓扑优化的数学模型[3]为：

求 X=(X1, X2, …, X n)T

min: C=F T D (1)

s.t: f<(V-V1)/V0 (2) 0

F=KD (4) 式中，C为结构的柔度，F为载荷矢量，K为刚度矩阵，D为位移矢量，V为结构充满材料的体积，V0为结构设计域的体积，V1为单元密度小于X max的材料的体积，f 为剩余材料百分比，X min为单元相对密度的下限，X max为单元相对密度的上限。

2 控制臂有限元模型的建立

2.1 控制臂有限元模型的建立

本文利用Altair公司的前处理软件HyperMesh 建立了某汽车控制臂优化前的有限元模型，如图2.1所示。控制臂及套筒均采用四面体单元，长度为5mm, 共计23100个。为了准确反映结构的受力情况，将套筒内的所有节点用rbe2刚性单元连接在一起，套筒的中心点作为主节点，如图2.1绿色部分所示。控制臂和套筒的材料为铸钢，其中，弹性模量为 2.1E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7900Kg/m3，屈服极限为650MPa。

控制臂的设计空间如图2.2所示。

图 2.1 控制臂优化前的有限元模型图 2.2 控制臂的设计空间

2.2 载荷工况的确立

控制臂在实际使用过程中，大约有十几种工况，本文受篇幅所限，只对其中三种工况进行分析，如表2-1所示。

表2-1 控制臂载荷工况

编号载荷工况测量点F x[N] F y[N] F z[N] M x[Nmm]M y[Nmm] M z[Nmm]

1 轴重a 265 -2738 54 137 -4103 -2473

b -265 2738 -36 -1502 3910 -1258

2 前进制动a -44 -

3 29 -2777 -4546 -9374

b 44 3 -11 -4925 3898 -7755

3 倒车驱动a 14

4 -1712 -60 -546

5 -25218 -9833

b -144 1712 77 -17269 23904 -5113

3控制臂结构的拓扑优化

3.1 拓扑优化主要参数设置

本文采用了惯性释放分析方法，它无需建立边界约束，从而能够消除约束点周围产生的集中应力。另一方面，惯性释放方法在模型计算过程中考虑了动态载荷项，因此它能使计算分析结果更加真实。

依次设置拓扑优化参数：

目标函数：应变能最小

约束函数：体积分数上限0.3；指定拔模方向

3.2 拓扑优化结果

图3.1是密度值取0.3时的拓扑优化的结果。进一步考虑到结构和工艺等需求，最终得到的控制臂3D 结构如图3.2所示。

图3.1 控制臂拓扑优化结果图3.2 最终得到的控制臂3D结构

4 控制臂拓扑优化前后结构强度对比

4.1 控制臂拓扑优化前后应力对比

为了检验控制臂优化方案的强度是否满足要求，将控制臂优化后的有限元分析结果与初始结构进行对比，各工况下优化方案与初始结构应力分布如图4.1-图4.3所示。

初始结构优化结构

图4.1轴重工况下初始结构与优化方案应力对比