基于拓撲優化的轉向節輕量化設計

莊海濤　張倩文

摘 要：為了迎合現代汽車輕量化設計主流趨勢，在綜述了拓撲優化設計的基礎上，將TOSCA軟件結構優化的功能應用于某轉向節優化設計上，同時考慮其復雜成型工藝進行了局部形狀及尺寸的優化，再與傳統方法設計的成熟車型的轉向節相結合后得出優化方案，為相同類型的結構部件結構優化及輕量化設計提供了新的思路。關鍵詞：拓撲優化;輕量化;轉向節中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-66-02

Abstract：?To cater to mainstream trend of modern automotive lightweight-design， Firstly， topology optimization design methods are summarized.?Then TOSCA software structure optimization is applied on a steering knuckle optimization design as as well as its shape and size optimization of the part and then with the traditional method to design the maturity model of the steering knuckle after the combination of optimization scheme.?At last，?the research brings forward an effective approach for lightweight design of similar types of structures.Keywords： Topology Optimization; lightweigh; KnuckleCLC NO.：?U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-66-02

前言

如今在汽車工業設計中，輕量化是一種主流趨勢。輕量化的方法有很多種，其中部件結構優化可以在不改變材料且不犧牲結構強度特性的前提下實現部件質量的最小化。拓撲優化是一種結構優化的先進方法，它可以根據給定的加載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法。通過拓撲優化手段，在產品設計初期，對產品所需性能予以全盤考慮，可以在設定的設計空間下找到最佳的產品設計思路。

對轉向節進行輕量化設計不但可以提高車輛的動力性，減少簧下質量提升舒適性，還可以減少能源消耗、減小污染，同時能降低車輛的制造成本。轉向節作為汽車重要安全零部件，在進行輕量化設計過程中如果不考慮結構、工藝等因素，勢必會造成轉向節強度和剛度等性能的降低，形成重大的安全隱患。

1 設計背景

某車型進行中期改款，原轉向節方案設計采用40Cr材料鍛造成型工藝，實物重量4.29kg。對此轉向節進行強度校核時發現其安全系數較大。基于輕量化設計理念，在保證硬點與安裝尺寸不變的前提下，對此轉向節進行優化設計。

2 優化過程

2.1 結構重塑

Tosca是一個完善的具有世界領先水平的結構拓撲優化系統，能夠在給定的可設計空間中，根據指定的加載和邊界條件計算出最佳的設計方案作為設計參考。

將轉向節原方案導入Tosca，加載通過Adams提取的實車載荷及實車邊界進行拓撲分析，分析結果見圖1。結果顯示圖中灰色區域均是可進行減重優化的區域。以拓撲優化分析結果為參考，在CATIA中分別對卡鉗安裝支架、轉向拉桿節臂、擺臂球銷節臂進行減料優化;取消拉桿節臂檢具定位凸臺;以及其他細節的優化，例如倒角等。優化前后方案對比見圖2。在Adams提取改款車型的轉向節在垂向沖擊工況、轉彎工況、制動工況、靜止起步工況和復合工況下的受力載荷，然后按照實車邊界條件對轉向節輕量化方案進行強度分析，分析結果見圖4，降重前轉向節分析結果見圖5。

2.2 優化后強度分析

在Adams提取該車型轉向節硬點在垂向沖擊工況、轉彎工況、制動工況、靜止起步工況和復合工況下的受力載荷，然后按照實車邊界條件對轉向節輕量化方案進行強度分析，優化后轉向節各工況強度分析安全系數均大于2，與優化前相比，相差不大，優化后重量3.9kg，降重0.39kg，效果明顯。

分析結果見圖3，降重前轉向節分析結果見圖4。

通過對其他車型轉向節強度分析安全系數對比，優化后方案與我司其他車型相比，各工況強度變化趨勢一致，分析結果合理可行。

2.3 工藝分析

經過對輕量化轉向節方案進行鍛造工藝分析，輕量化方案滿足成型要求，但是對減振器支臂分型需向外移動8mm以滿足分型要求，同時為了適應刀具，調整部分倒角。

3 總結

本文在拓撲優化的基礎上綜合了形狀及工藝優化等多種優化設計手段對轉向節結進行了輕量化設計，優化后的轉向節滿足強度或剛度使用要求，并且優化后方案實現降重0.39kg，可實現單車降成本約20元，因此對于整車降成本及精益化設計起到了顯著的作用。

參考文獻

[1] 芮強，OptiStruct結構優化方法及其在車體結構輕量化設計上的應用. Altair2009 HyperWorks技術大會論文集，2009.

[3] 殷梅，基于HyperWorks拓撲優化技術的汽車轉向節設計研究. Altair2009 HyperWorks 技術大會論文集，2009.