HyperWorks在汽车转向节优化设计中的应用.pdf

结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009） 中国·大连—2009年9 月3日-4日 HyperWorks 在汽车转向节优化设计中的应用 李颖 高岩 琎 (长安汽车工程研究院CAE工程所) 摘 要: 主要阐述利用 Altair 公司的 HyperWorks 软件的结构优化功能，对汽车零部件进行结构优化设计的过程。以 对某汽车转向总成中的转向节结构优化为例，重点介绍了拓扑优化和形状优化在产品结构设计中的应用方法及功能。 优化结果表明将拓扑优化和形状优化相结合应用，对零部件的结构设计能起到重要的指导性作用。 关键词: 转向节 拓扑优化 形状优化 有限元分析 1 概述 优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化的数学理论，选用适当的优化 方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出基于该模型的最佳设计方案的一种设计方法。现在， CAE 技术中一个非常重要的组成部分——结构优化技术已经发展成熟并成功地被用于产品设计，它 正在改变传统的产品设计流程。在概念设计阶段，优化技术可以对产品所需性能全部予以考虑，在 给定的设计空间下找到最佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可以直接给出 产品改进方案，而不仅仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品。 这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的产品设计过程 ODDP （Optimization Driven Design Process），如图 1 所示： 节省： 时间、费用 图 1 优化驱动的产品设计流程 在当今汽车工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个突出的问题。汽车轻量化设计开始占 据了汽车发展的主要地位，它既可以提高车辆的动力性、降低成本，又能减少能源消耗、减少污染。 但是，简单的汽车轻量化设计却是一把双刃剑，它在减轻汽车重量的同时，也牺牲了车辆的强度和 刚度，甚至对产品的结构寿命也会产生影响。在此情况下，经过近几年的实践证明，Altair 公司的有 限元分析技术以及优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用。特别是对于一些结构复杂的汽车零 件，HyperWorks 的有限元分析技术、拓扑优化技术和形状优化技术使得很多材料的潜能及铸造的 优势得到了充分的发挥。 转向节（knuckle）是汽车的重要安全零部件，全世界的行业人士都极其重视其安全特性。转向 节的加工分为毛坯制造和成品机加工，毛坯制造既可以采用锻件形式，也可以采用铸造形式，杆部、 法兰盘和叉部等部分则采用成品机加工。该零件在原始设计中，由于整个机构的复杂性，对产品的 性能未能充分把握，在进行设计时只能作定性分析和类比估算，确定实际结构时，选择的安全系数 过大，致使设计出来的产品结构过于笨重、粗大。另外，由于对实际的受力点未能完全把握，导致 结构材料分布不够均匀，铸造工艺性较差。 - 1 - 结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009） 中国·大连—2009年9 月3日-4日 2 基础模型有限元模型建立及分析 转向节利用衬套及螺栓与车身相连，通过法兰盘的制动器安装孔进行定位。由于整车有 限元模型的计算量太庞大，导致计算时间过长，因此仅选取转向节模型与整车相连的五个节点在整 车工况下的支反力作为输入载荷，单独对转向节模型进行优化分析。 2.1 有限元模型建模 利用 HyperMesh 对 CAD 模型进行有限元模型的建立。转向节采用实体单元 TERTA 4 进行网 格划分，衬套采用 CBUSH 单元进行模拟，将衬套中心点与周围转向节上的结点用 REB2 单元进行 连接。原始结构如图 2 所示，有限元模型如图 3 所示，有限元模型