基于Optistruct拓扑优化的平衡悬架优化改进研究

基于Optistruct拓扑优化的平衡悬架优化改进研究
作者：刘汉如
来源：《科技创业月刊》 2014年第10期
刘汉如
（华菱星马汽车（集团）股份有限公司安徽马鞍山２４３０６１）
摘要：为提高平衡悬架优化效率，缩短改进时间，结合Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ拓扑优化方法，在３种平衡悬架典型工况和１２种整车运行工况中对平衡悬架进行三维拓扑优化，通过对拓扑优化结果的分析，指导产品改进设计，并在整车运行工况中验证。

对某型号平衡悬架的优化实例表明，改进方案可显著降低平衡悬架应力水平，实现优化目的。

关键词：Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ；拓扑优化；平衡悬架
中图分类号：TH132
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１4．10．０79
0 前言
重型汽车的平衡悬架上接车架，下连后桥，承担将车架载荷传递向车桥，并调节与之相连的两汽车后桥受载情况的功能。

实际使用中，因重型汽车承载大，道路条件恶劣，平衡悬架承受复杂多变载荷，出现了一些裂纹甚至断裂情况。

一旦出现此类情况，即需对平衡悬架整体进行更换，因此，改进平衡悬架结构以提高使用寿命，对于提高行驶安全性和降低维护成本有重要意义。

Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ是Ａｌｔａｉｒ公司仿真分析套件的一部分，在结构的计算机拓扑优化领域应用广泛。

软件可计算约束条件下结构的传力路径，根据传力路径调整材料分布。

但对复杂结构，其优化结果无法直接应用，需要进行分析解读并结合部件结构做出选择。

本文采用多工况优化，分析确定了３种平衡悬架典型工况和１２种整车运行典型工况，在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ中对平衡悬架进行三维拓扑优化，通过分析其优化结果，为平衡悬架改进方案的设计提供方向指导，提高设计效率。

1 模型建立与标定
该平衡悬架尺寸为５３５×１６２×４５８ｍｍ，主要包括支架、轴头和轴管三个部分。

平衡悬架与车架通过螺栓连接，经钢板弹簧和推力杆与两后桥相连。

支架采用四面体网格，轴管与轴头采用六面体网格，单元格大小为１０ｍｍ。

完成后模型如图１。

其中四面体单元１１７７２８个，六面体单元１８１３６个。

同时为了实现对平衡悬架在实际车辆上工作状态的模拟，建立了完整的整车模型，如图２。

将平衡悬架所承受载荷在三个方向上进行分解，垂直方向承受车架和钢板弹簧传递而来的载荷，其中车架载荷经支架上表面传递，钢板弹簧载荷经轴头传递向支架；水平方向承受由于
两后桥受力不均衡而经推力杆传递的载荷。

将上述三种载荷作为平衡悬架的典型工况。

为实现更好的仿真和优化效果，将平衡悬架置于整车模型中进行分析，根据整车运行情况进行分析，选择设定了１２种典型工况，包含了车辆行驶中的主要载荷状态和工作条件。

分析结果如图３所示。

仿真分析工况中所加载工况极为恶劣，因此分析结果均较大。

对平衡悬架仿真模型进行标定，结果显示，仿真模型应力集中位置与实际出现裂纹位置一致，如图４，显示出仿真模型可较好预测平衡悬架在运行中容易出现的问题。

2 拓扑优化
在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ中建立平衡悬架优化模型，设定优化空间和优化参数，如图５。

优化空间的设定一般依照以下原则：①与其它部件相连位置保留一定余量。

优化空间与车架、轴头和轴管连接区域余量设置为１５ｍｍ；②在不与车辆其它部件相干涉条件下，优化空间应尽量大一些；③螺栓等连接装配位置应预留完整；④设置合理的拓扑优化最小厚度，以避免优化结果中出现强度太小的特征。

分别将表１中所列３种平衡悬架典型工况和１２种整车运行典型工况作为优化约束条件，各工况设置为同等权重，约束优化结果体积分数为０．２，优化目标为最小化加权应变能。

取ＩＳＯ＝０．５，使用３种平衡悬架典型工况进行拓扑优化的结果见图６，使用１２种整车运行典型工况的优化结果见图７。

3 拓扑优化结果分析
由图６与图７可见，在平衡悬架典型工况和整车典型工况中分别进行拓扑优化，其结果存在一定差异，对此结果进行分析，可在平衡悬架支架图８所示位置进行改进优化。

（１）两拓扑优化结果均显示支架侧面１需要更强的承载作用，应进行加强。

根据图３所示应力分析结果，该侧面应力主要集中于转角位置，因此在边缘添加加强棱２；
（２）由图６（ａ）可见，平衡悬架主要由内外两侧面支撑，两侧面间连接效果较弱。

因此，可考虑在斜侧面３和中面５处去除一定材料；
（３）两拓扑优化结果均显示，支架与轴头管４连接区域有一部分可以去除，但考虑到轴头与支架配合的紧密性，对轴头管不做更改。

4 优化方案比较验证
基于以上对拓扑优化结果的分析，设计不同优化方案及优化方案组合进行比较。

方案效果的比较主要依据其在平衡悬架典型工况中的表现。

从中选择两个效果较好的方案在整车运行典型工况中进行比较验证。

方案二采用了第四部分所有可改进项；方案一除侧面３所做修改外，采用了其它所有可改进项。

方案修改前后应力分布情况没有发生明显改变，平衡悬架最大应力仍然出现在支架转角位置，但其幅值已明显下降。

方案修改前后支架与轴管的最大应力分别如表1和表2所示。

因部分整车运行典型工况分析结果具有一定对称性或包含在其它工况中，在方案验证阶段，仅从中选择５种工况进行验证。

比较最大应力可知，两方案均可明显降低平衡悬架最大应力。

各工况中，下坡左转制动强度分析中平衡悬架应力最大，方案一最大应力减小２９．３％，方案二最大应力减小３２．０％。

方案修改后，轴管应力均变化不大，平衡悬架载荷分配并未因支架应力大幅下降而转移至轴管。

可见，两修改方案均可在悬架结构变化不太大的条件下改善悬架应力水平。

因两方案重量仅相差３．３ｋｇ，而方案二应力小于方案一，可优先选择方案二。

5 结论
为实现对平衡悬架的优化改进，结合拓扑优化分析的方法，通过对多个工况下拓扑优化结果的分析，提出结构改进的方向。

此举可提高结构优化的目的性，缩短优化时间。

根据某型号平衡悬架拓扑优化结果，设计不同改进方案，并比较选择了两个方案进行验证，结果表明，优化方案可使平衡悬架最大应力降低约３０％，实现了优化改进目的。

参考文献
１王得天，王成龙．ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ在汽车车架优化设计中的应用［Ｃ］．Ａｌｔａｉｒ大中国区用户技术大会论文集，２００７
２张立玲，黄黎，张霁等．基于Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的副车架轻量化方法及工程应用［Ｃ］．Ａｌｔａｉｒ２０１０Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ技术大会论文集，２０１０
３卢利平．载货汽车车架拓扑优化设计及有限元分析［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２００９
４石作维．机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２００９
（责任编辑晓天）。