基于HyperWorks 的果園車變速踏板拓撲優化設計

侯金平，遲慶軍，郭玉平，張震，張先航

（262300 山東省 日照市 山東五征集團有限公司）

0 引言

本文設計的變速踏板適用于農用三輪果園車序列式換擋變速箱，用戶腳踩變速踏板的前踏板和后踏板，實現前、后推拉換擋桿，就可以完成加擋或減擋，踩一下前踏板加一擋，踩一下后踏板減一擋，與手自一體的手動部分類似。目前，農用三輪果園車使用的變速腳踏板結構比較復雜，前、后踏板和踏板支架是分體結構，需要進行焊接，腳踏支架與變速座的限位也需要焊接限位塊。踏板支架采用鋼板折彎結構，鋼板的密度較大，導致變速踏板質量較大。

HyperWorks 軟件是一款應用廣泛的有限元結構分析與優化軟件，提供了優秀的前處理工具HyperMesh，用于實現結構優化設計的Optistruct 技術以及全面而通用的CAE 后處理環境HyperView，集成了設計與分析所需的各種工具，在汽車、航空航天、重裝備、國防以及石油天然氣等行業得到了廣泛使用[1]。汽車輕量化主要有兩大方式：（1）通過結構的改進，縮小零部件尺寸，使部件中空化、薄壁化；（2）使用輕量化的金屬與非金屬材料，進行材料替代[2]。鑄件輕量化設計過程中，常常通過薄壁化、空心化和集成化3 種結構優化方案來實現輕量化效果[3]。

本文基于HyperWorks 技術設計一款新的變速踏板，在保證變速踏板的剛度要求條件下，實現輕量化設計的目標。

1 拓撲優化設計

1.1 變速踏板三維數字化模型的建立

變速踏板的結構如圖1 所示。

圖1 變速踏板結構Fig.1 Structure of gear shift pedal

1.2 材料的選擇及特性

壓鑄的特點是生產效率高、鑄件的精度高和合金的強度、硬度高，是少、無切削加工的重要工藝，發展壓鑄是降低生產成本的重要途徑。壓鑄鋁合金在汽車、拖拉機、航空、儀表、紡織、國防等部門得到了廣泛的應用[4]。本文選用壓鑄鋁合YZAlSi11Cu3(YL113) 作為變速踏板的材料，材料特性如下：彈性模量70 GPa；密度2.7 g/cm3；泊松比0.33；抗拉強度≥220 MPa；屈服強度≥160 MPa。

1.3 有限元模型的建立

在計算機硬件許可的條件下，有限元網格劃分盡量細化，有限元網格與幾何模型盡量貼合，以提高計算精度[5]。

在HyperMesh 中對踏板支架進行有限元網格劃分，根據踏板支架的結構特點，采用了高精度的6 面體單元進行網格劃分，得到的單元總數為129 981 個，節點數為144 132 個。有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.4 載荷及邊界條件的確定

根據實際測試數據，變速踏板載荷選取最大值255 N，作為所有擋位的輸入載荷，選取沖擊系數為2。為了使分析結果更加貼合實際，選取圖1 旋轉軸中心A 處為第1 約束點，釋放Y 向旋轉自由度，約束其余自由度；選取搖臂下連接點B 為第2 約束點，約束其全部自由度。載荷和約束如圖3 所示。

圖3 載荷和約束Fig.3 Load and constraint

1.5 拓撲優化結果

拓撲優化是在設計空間內建立一個由有限個體單元組成的基本結構，給定負載情況、約束條件和性能指標，然后根據算法確定設計空間內單元的去留，保留下來的單元即構成最終的拓撲方案，從而實現拓撲優化[6]。拓撲優化結果如圖4 所示。

圖4 拓撲優化結果Fig.4 Topology optimization results

將拓撲結構優化后的模型轉化為三維模型，拓撲優化的結果提供給設計者結構的輪廓，設計者需要對輪廓進行處理，使之能夠具備生產制造的可行性。針對果園車用戶的特點，變速踏板的外觀不僅需要美觀，還要看上去結實耐用，因此根據拓撲優化的結果，在盡量接近的情況下布置加強筋，同時對鏤空的部位進行薄壁（1.5 mm）的填充。最終得到變速踏板三維數字化模型，其質量為0.252 5 kg。與當前鋼板、焊接結構的變速踏板（0.374 5 kg）相比，質量減少了48.3%。優化后的數模如圖5 所示。

圖5 優化后的數模Fig.5 Optimized mathematical model

2 拓撲優化結果的強度驗證

2.1 靜態受力分析結果

為了分析極限情況，選取4 個工況進行分析，具體工況見表1。

表1 分析工況Tab.1 Working conditions for analysis

2.1.1 工況1 的結構靜力分析

工況1 的最大位移為1.924 mm，最大應力為107.5 MPa，其位移云圖和應力云圖分別如圖6、圖7 所示。

圖6 工況1 的位移云圖Fig.6 Displacement contour plot of working condition 1

圖7 工況1 的應力云圖Fig.7 Stress cloud map of working condition 1

2.1.2 工況2 的結構靜力分析

工況2 的最大位移為0.771 mm，最大應力為117.2 MPa，其位移云圖和應力云圖分別如圖8、圖9 所示。

圖8 工況2 的位移云圖Fig.8 Displacement contour plot of working condition 2

圖9 工況2 的應力云圖Fig.9 Stress cloud map of working condition 2

2.1.3 工況3 的結構靜力分析

工況3 的最大位移為1.121 mm、最大應力為155.7 MPa，其位移云圖和應力云圖分別如圖10、圖11 所示。

圖10 工況3 的位移云圖Fig.10 Displacement contour plot of working condition 3

圖11 工況3 的應力云圖Fig.11 Stress cloud map of working condition 3

2.1.4 工況4 的結構靜力分析

工況4 的最大位移為1.227 mm，最大應力為153.2 MPa，其位移云圖和應力云圖分別如圖12、圖13 所示。

圖12 工況4 的位移云圖Fig.12 Displacement contour plot of working condition 4

圖13 工況4 的應力云圖Fig.13 Stress cloud map of working condition 4

2.2 結果分析

根據踏板材料的特性，屈服強度為160 MPa，通過上述4 種極限工況的分析，第3工況的最大應力值最大，為155.7 MPa，沒有超出材料的許用應力，符合使用條件。

3 結語

變速踏板結構由前、后踏板、限位塊和踏板支架4 部分的焊接結構改為壓鑄鋁合金一體結構，避免了焊接，提高了生產效率。變速踏板的材料選用了密度更小的鋁合金，密度減小1/3；借助HyperWorks技術對變速踏板進行拓撲優化，并進行再次造型設計，保證生產制造可行性；在此過程中，采取了薄壁化、空心化和集成化的優化方案，實現輕量化計，質量減少0.122 kg，減少48.3%。

通過對4 種工況的靜態應力分析，結果顯示變速踏板應力均小于屈服強度160 MPa，滿足使用條件。

本設計縮短了設計周期，并減少了后續的設計變更，對鑄造件的方案設計或設計優化的工程技術人員具有一定的借鑒作用。