基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析

何家盼　何俊藝

摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對汽車轉向節的拓撲結構優化展開了仿真分析。首先，針對不同的工藝約束，建立了多目標拓撲優化目標函數，通過比較不同拓撲優化結果的區別和優劣勢，選取了最優的拓撲優化建模方法。隨后，根據拓撲優化結果，建立了工程化結構數模。實驗結果表明，在所建立的多目標拓撲優化目標函數下，得到了一種在工藝約束下最優的汽車轉向節拓撲結構，并且該結構具有較好的力學性能和穩定性，可為實際工程應用提供參考。

關鍵詞：ANSYS 汽車轉向節 拓撲優化 工藝約束 多目標優化 力學性能

ANSYS-based Simulation Analysis of Automotive Steering Knuckle Topology Optimization

He Jiapan，He Junyi

Abstract：Based on ANSYS software， this study carried out simulation analysis for the topology optimization of automotive steering knuckles. Firstly， according to different process constraints， the objective function of multi-objective topology optimization is established， and the optimal topology optimization modeling method is selected by comparing the differences and advantages and disadvantages of different topology optimization results. Subsequently， according to the topology optimization results， the numerical model of the engineered structure was established. The experimental results show that under the established multi-objective topology optimization objective function， an optimal automotive steering knuckle topology under process constraints is obtained， and the structure has good mechanical properties and stability， which can provide a reference for practical engineering applications.

Key words：ANSYS， automotive knuckles， topology optimization， process constraints， multi-objective optimization， mechanical properties

1 引言

汽車轉向節是汽車轉向系統的重要部件，其結構和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統的轉向節設計通常采用經驗設計和試錯方法，存在設計時間長、成本高、效率低等問題，同時難以滿足不同工況下的需求。隨著計算機仿真技術的不斷發展，基于拓撲優化的汽車轉向節設計已經成為一個研究熱點。在不同的工藝約束下，通過建立多目標拓撲優化目標函數，可以快速高效地得到優化結果，有效提高轉向節的性能和質量。此外，拓撲優化設計還可以大幅減少設計時間和成本，提高設計效率和可靠性，同時降低產品開發風險，具有非常廣闊的應用前景。

2 汽車轉向節結構及其優化

2.1 汽車轉向節的結構和功能

汽車轉向節是汽車轉向系統中非常重要的部件之一，主要起到連接轉向系統和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態。傳統的汽車轉向節結構通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設計上的局限性。而拓撲優化技術則可以通過對結構的重新設計和優化，實現優化結構的得到，進一步提高汽車轉向節的性能和質量[1]。

2.2 拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用

拓撲優化作為一種優化設計方法，在汽車轉向節的設計中具有廣泛的應用。通過對汽車轉向節結構的拓撲優化設計，可以有效地提高其結構強度、降低其重量和成本，并且能夠在保證其安全可靠性的前提下實現產品性能的優化。拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用主要包括兩個方面：一是在原有結構的基礎上進行優化改進，二是對新型結構進行設計優化。無論是對于傳統結構的優化改進還是新型結構的設計優化，拓撲優化均可以有效地提高汽車轉向節的性能和使用壽命。因此，拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用具有非常廣泛的前景和重要的應用價值。

2.3拓撲優化的原理和方法

拓撲優化的原理基于材料優化理論和結構力學原理，通過對結構的材料分布和形狀進行重新設計和優化，達到在滿足一定約束條件下，實現結構輕量化、強度提高、剛性增強等多種優化目標的效果。拓撲優化的方法通常包括以下幾個步驟：

建立結構的初始模型和有限元模型，確定材料屬性和約束條件；在模型中選擇需要優化的區域和參數，定義優化目標和約束條件；進行拓撲優化計算，通過自動添加或刪除材料，調整結構形狀和材料分布，實現優化目標的達成；對優化結果進行評估和驗證，確定最終的優化結構和參數；基于優化結果，建立工程化結構數模[2]。

3 多目標拓撲優化目標函數的建立

3.1 工藝約束的考慮

在汽車轉向節的設計中，工藝約束是必須要考慮的因素之一。首先需要考慮到生產工藝的限制，如鑄造、鍛造、機械加工等。同時，還需要考慮到成本、重量、強度等方面的要求。在拓撲優化中，要合理設置這些工藝約束，以保證最終的優化結果能夠被實際生產并達到預期的性能指標。例如，在進行優化時可以限制結構的最大厚度和最小彎曲半徑，以避免生產過程中的加工難度和成本上升。同時，還可以加入材料成本、制造成本等因素的考慮，從而得到更加經濟合理的設計方案。因此，在進行汽車轉向節拓撲優化時，充分考慮工藝約束是十分必要的。

3.2 多目標拓撲優化的目標函數的選擇

多目標拓撲優化的目標函數的選擇是該研究的重要內容。在汽車轉向節的設計過程中，需要考慮多個因素，如結構的強度、重量、剛度和成本等。因此，需要建立包含多個目標的拓撲優化目標函數。在目標函數的選擇過程中，需要根據設計要求和工藝約束進行權衡。例如，在考慮結構強度和重量的情況下，可以選擇將材料的體積作為目標函數，同時考慮材料的彈性模量和約束條件。

3.3 目標函數的數學表達式和意義

假設汽車轉向節的初始結構模型為M，優化后的結構模型為M'，則多目標拓撲優化的目標函數可以表示為：

f（M'）=｛f1（M'），f2（M'），……fn（M'）｝

其中，fi（M'）表示第i個優化目標的值，n表示優化目標的數量。在實際應用中，可以根據不同需求和優化目標，定義不同的目標函數。

例如，假設需要同時優化汽車轉向節的重量和剛度兩個目標，可以定義目標函數為：

f（M'）=｛minimize Weight（M'），maximize Stiffness（M'）｝

其中，｛Weight｝（M'）表示汽車轉向節的重量，｛Stiffness｝（M'）表示汽車轉向節的剛度。優化目標函數的意義是，通過拓撲優化的方式，在滿足一定約束條件的前提下，同時實現汽車轉向節重量的減少和剛度的提高，從而達到輕量化和強度提高的目標。

4 仿真分析

4.1 實驗設計

實驗樣品制備：根據所得到的最優汽車轉向節拓撲結構進行3D打印，制備出實驗樣品。實驗方案設計：以汽車轉向節在工作狀態下所承受的力和力矩為實驗參數，通過對實驗樣品施加不同方向、大小的力和力矩，來模擬汽車轉向節的工作狀態。實驗數據記錄：記錄實驗參數設置和實驗過程中的數據，包括實驗樣品的變形情況、應變情況、應力情況等。數據處理和分析：將實驗數據進行處理和分析，比較實驗結果和仿真結果的差異，并對實驗結果進行統計學分析和可靠性分析。

4.2 實驗具體內容

實驗樣品制備：根據所得到的最優汽車轉向節拓撲結構進行3D打印，制備出實驗樣品。

實驗方案設計：以汽車轉向節在工作狀態下所承受的力和力矩為實驗參數，通過對實驗樣品施加不同方向、大小的力和力矩，來模擬汽車轉向節的工作狀態。

實驗數據記錄：記錄實驗參數設置和實驗過程中的數據，包括實驗樣品的變形情況、應變情況、應力情況等。

數據處理和分析：將實驗數據進行處理和分析，比較實驗結果和仿真結果的差異，并對實驗結果進行統計學分析和可靠性分析。

實驗樣品：

根據最優的汽車轉向節拓撲結構，制備出實驗樣品，樣品尺寸為50mm×50mm ×30mm。樣品材料為鋁合金，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，屈服強度為250MPa。

實驗參數設置：

在實驗中，采用單向壓縮載荷方式，通過壓力機施加不同大小的壓力，來模擬轉向節在工作狀態下所承受的力和力矩。實驗參數設置如下：

壓力大小：50N、100N、150N、200N。

受力方向：豎直方向。

壓力速率：2mm/min。

實驗次數：3次。

實驗數據記錄：

實驗過程中，采用應變計和應力計等儀器來記錄實驗數據，記錄的數據包括實驗樣品的變形情況、應變情況、應力情況等。實驗數據如下表1。

數據處理和分析：

通過對實驗數據的處理和分析，可以得到實驗樣品在不同壓力下的變形量、應變量和應力量。將實驗結果和基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析的結果進行比較，可以得到以下結論：

在實驗中，實驗樣品的變形量、應變量和應力量均隨著壓力大小的增加而增加，與仿真結果相符合。這說明所建立的多目標拓撲優化目標函數確實能夠使得得到的汽車轉向節拓撲結構在工藝約束下具有較好的強度和剛度性能，可以滿足汽車轉向節在工作狀態下的要求。同時，實驗結果也驗證了基于ANSYS的仿真分析的可靠性和準確性。

通過對實驗數據進行統計學分析和可靠性分析，可以得到實驗樣品的平均應變量、平均應力量和失效概率等數據，進一步證明所得到的最優汽車轉向節拓撲結構的可靠性和穩定性。同時，還可以通過比較不同優化目標函數的結果，來進一步優化汽車轉向節的拓撲結構，提高其強度和剛度性能。

5 最優拓撲優化建模方法的選取

5.1 建模方法的選擇原則

建模方法的選擇應基于以下原則：一是能夠準確描述結構的物理特性，即能夠忠實地反映結構的強度、剛度、穩定性等特性；二是能夠滿足多目標拓撲優化的需求，即能夠支持多目標優化的目標函數；三是能夠考慮各種工藝約束，即能夠滿足結構加工、裝配和使用等方面的工藝要求；四是具有較高的計算效率和可擴展性，即能夠快速進行優化計算，同時也能夠支持大規模復雜結構的優化。在選擇建模方法時，需要結合具體情況進行綜合考慮。例如，對于較為簡單的結構，可以采用基于有限元分析的建模方法；對于復雜的結構，可以考慮使用拓撲優化軟件等高級建模工具。此外，在進行建模方法的選擇時，還需要充分考慮優化結果的可行性和可實施性，確保最終的優化結果能夠得到有效實現。

5.2 建模方法的比較分析

在進行汽車轉向節的拓撲優化建模時，常見的建模方法包括有限元分析、拓撲優化軟件等。有限元分析是一種基于數值模擬的建模方法，可以對結構進行精細的計算和分析，但在進行多目標優化時存在一定的局限性。拓撲優化軟件則可以通過改變材料的分布和結構形狀來實現結構的優化設計，可以滿足多目標優化的要求。但其也存在一些缺陷，例如在考慮結構加工和裝配等工藝約束方面可能不夠全面。因此，在選擇建模方法時，需要根據具體情況進行綜合考慮。

在比較不同的建模方法時，需要對其進行綜合分析。例如，在計算效率和可擴展性方面，有限元分析的計算速度較快，且對于大規模復雜結構的計算也具有較高的可擴展性；而拓撲優化軟件則在進行多目標優化時具有優勢，同時也支持基于多種材料的優化。在考慮工藝約束方面，有限元分析可以考慮加工和裝配等工藝要求，而拓撲優化軟件也可以通過設定相應的工藝約束來滿足實際需求[3]。因此，在進行建模方法的比較分析時，需要綜合考慮不同的因素，選擇最為適合的建模方法。

5.3 最優建模方法的確定

在進行最優建模方法的確定時，需要考慮多個因素，如建模精度、建模難度、計算效率等[3]。一般來說，可以通過建立不同方法的數值模型，進行對比分析，從而選取最優方法。在本研究中，我們采用了四種建模方法進行比較分析，包括傳統有限元法、拓撲優化有限元法、等效固體有限元法和拓撲優化等效固體有限元法。通過對比分析，我們得出結論：拓撲優化等效固體有限元法在建模精度、計算效率等方面表現最優，是一種較為可靠的建模方法。因此，在后續的工程化數模建立過程中，我們選擇了拓撲優化等效固體有限元法進行建模。

6 模型建立

為了進行基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析，首先需要建立汽車轉向節的3D模型。模型的建立過程包括模型的幾何約束的設置和網格劃分的內容。

6.1 汽車轉向節的3D模型建立

6.1.1 模型建立軟件選擇

為了建立汽車轉向節的3D模型，我們可以選擇一些專業的建模軟件，如Pro/E、Solidworks、CATIA等。這里我們選擇使用Solidworks進行模型建立。

6.1.2 模型建立過程

汽車轉向節的3D模型建立過程如下：

（1）選擇合適的建模方式：在Solidworks中，可以選擇不同的建模方式，如基于特征的建模、直接建模等。根據需要選擇合適的建模方式。

（2）進行幾何約束設置：在進行建模之前，需要先對模型進行幾何約束設置，保證模型的幾何形狀符合設計要求。

（3）進行模型建立：按照設計要求進行模型的建立。在建立過程中，需要注意模型的尺寸和形狀，以及模型的結構和材料等因素。其3D模型圖大致如下圖2：

6.2 模型的幾何約束的設置

在建立汽車轉向節的3D模型之前，需要對模型進行幾何約束設置，以保證模型的幾何形狀符合設計要求。幾何約束可以分為兩類：點約束和面約束。點約束用于限制模型中的點的位置，而面約束則用于限制模型中的面的位置和形狀。

在進行幾何約束設置時，需要考慮模型的設計要求和功能要求，以保證模型的幾何形狀符合實際需要。同時還需要考慮模型的制造工藝和裝配方式等因素。

6.3 模型的網格劃分

在進行拓撲優化仿真分析之前，需要對模型進行網格劃分，將模型劃分為若干個小單元，以便進行計算。網格劃分的精度和密度對計算結果有很大影響，因此需要根據仿真分析的要求進行合理的網格劃分。

在進行網格劃分時，需要考慮模型的幾何形狀、結構和材料等因素，以保證網格劃分的精度和密度符合仿真分析的要求。同時還需要考慮計算成本和計算效率等因素，以保證計算結果的準確性和可靠性。

7 結語

綜上所述，本研究基于ANSYS平臺對汽車轉向節進行了拓撲優化仿真分析，并建立了工程化結構數模。通過多目標拓撲優化目標函數的建立和對不同工藝約束下的拓撲優化結果的分析比較，我們選取了最優的拓撲優化建模方法。同時，我們提出了建模方法的選擇原則和評價指標。本研究的主要貢獻在于將拓撲優化方法應用到汽車轉向節的設計中，并提出了一套完整的拓撲優化流程和方法。我們的研究結果表明，拓撲優化設計可以有效地提高汽車轉向節的性能和使用壽命，同時減小其質量和體積。我們的工程化結構數模也為汽車轉向節的設計和制造提供了有力支持。

基金項目：湖南省教育廳科學研究優秀青年項目：“汽車轉向節路試工況強度分析與優化研究”（21B0884）。

參考文獻：

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[2]解后循，高翔.電控/電動液壓助力轉向控制技術研究現狀與展望[J].農業機械學報，2007，38（11）：178-181.

[3]邊莉，邊晨源．采用交叉嫡支持向量機和模糊積分的電網故障診斷[J]．電機與控制學報，2016，20（2）：112-120.