CAE于前橋法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的應用

1、前言

法蘭盤輪轂主要承載汽車的重力以及為輪胎的傳動提供精確的引導，是關鍵安全部件之一，在設計時一定要確保其結(jié)構(gòu)的強度、剛度等基本性能指標。如果保守設計，則增加開發(fā)及生產(chǎn)成本，不利于提升產(chǎn)品競爭力；如果設計單薄，往往造成強度、剛度性能不足，可能造成其斷裂，嚴重影響車輛的安全性。

如何尋求最佳的成本與性能之間的平衡是阻礙許多企業(yè)快速成長的困惑之一。由于生產(chǎn)成本的壓力，很多企業(yè)已經(jīng)意識到輕量化開發(fā)的重要性，在確保性能的前提下材料的減重以及材料替換等。產(chǎn)品輕量化設計僅依靠多年的設計經(jīng)驗是不夠的，更多的還需要性能數(shù)據(jù)作為技術支撐。Altair公司HyperWorks產(chǎn)品的OptiStruct模塊為我們提供了這種非常便捷的解決途徑和技術體系。

OptiStruct模塊是以面向產(chǎn)品設計、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，提供了多種強大的優(yōu)化功能。其中，拓撲優(yōu)化(Topology)是產(chǎn)品輕量化設計中最常用的優(yōu)化方法之一，它是一種在給定的設計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問題的設計方法。本文利用OptiStruct對某法蘭盤輪轂進行拓撲優(yōu)化設計，在保證強度、剛度性能的前提下，通過定義設計目標、約束條件等來實現(xiàn)最佳的材料布局。根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果重新構(gòu)建一種新型優(yōu)化方案，并以此驗證分析，最終通過對法蘭盤輪轂優(yōu)化前后性能對比，達成拓撲優(yōu)化效果，實現(xiàn)了法蘭盤輪轂輕量化設計、衍生一項實用新型專利、提升產(chǎn)品競爭力等目的。

2、原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)三維模型對法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)進行有限元建模，如圖1所示。

（1）輪胎、輪轂及前軸總成模型B）法蘭盤輪轂模型（25.6Kg）

圖1輪輞結(jié)構(gòu)有限元模型

法蘭盤輪輞結(jié)構(gòu)以5mm網(wǎng)格劃分四面體實體單元，各部件之間已考慮非線性接觸和螺栓預緊力；在前軸中心處施加對稱約束，考慮輪胎與地面接觸；載荷條件圖2及表1所示。輪轂所采用的材料為QT450-10，其力學性能參數(shù)如表2所示。

圖2輪轂受載條件示意圖

表1法蘭盤輪轂受載條件

表2QT450-10材料力學性能參數(shù)

根據(jù)上述定義，原結(jié)構(gòu)法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)方案分析結(jié)果，如表3、圖3、圖4所示。

表3原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

（2）VonMises應力分布云圖B）拉應力分布云圖

圖3在空凹沖擊工況下，原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)應力分布云圖（圖中單位MPa）

（3）VonMises應力分布云圖B）拉應力分布云圖

圖4在側(cè)滑工況下，原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)應力分布云圖（圖中單位MPa）

從分析結(jié)果來看，a、原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)在空凹沖擊、側(cè)滑工況下的應力水平及應力分布基本一致；b、原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)的最高VonMises應力值均為323MPa，均位于外部加強筋，其應力水平略高于材料的屈服強度（≥310MPa）；c、原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)的最高拉應力值分別為274MPa、276MPa，均位于內(nèi)部加強筋，其應力水平遠低于材料的抗拉強度（≥450MPa）；d、原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)應力分布不均。

3、法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化及分析

本次拓撲優(yōu)化設置參數(shù)如下：設計目標：加權撓度最小，即該法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)剛度最大。約束條件：體積分數(shù)的上限值為0.35，即控制優(yōu)化后所保留的體積，以實現(xiàn)質(zhì)量減少。

優(yōu)化前，首先對輪轂進行空間填充，如圖5所示，概念模型中，黃色部分為優(yōu)化設計空間，藍色部分為非優(yōu)化設計空間。

圖5法蘭盤輪轂填充模型

通過62步迭代后，拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖6拓撲優(yōu)化概念設計模型

由拓撲優(yōu)化改進設計模型生成精細化設計模型，如圖7所示。

圖7最終優(yōu)化設計模型

表4拓撲優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

（1）VonMises應力分布云圖B）拉應力分布云圖

圖8法蘭盤輪轂優(yōu)化結(jié)構(gòu)應力分布云圖（圖中單位MPa）

從以上圖表可以看出：優(yōu)化后，法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)應力分布均勻，其最高VonMises應力值及最高拉應力分別為229MPa、233MPa，比原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)強度性能提升29%，改進效果非常顯著，且剛度性能提升6.5%，確保了性能設計要求。另外，優(yōu)化后法蘭盤輪轂質(zhì)量17.2Kg，比原法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)（質(zhì)量25.6Kg）降重8.4Kg，降重率為33%；

目前，該優(yōu)化方案已廣泛應用于市場，根據(jù)筆者所在單位2012年使用該法蘭盤輪轂的整車銷量（約5萬輛）以及QT450-10的當前市場價（約8元/Kg）推算，采用優(yōu)化法蘭盤輪轂后能實現(xiàn)經(jīng)濟效益高達672萬元。因此，采用基于OptiStruct的拓撲優(yōu)化方法對法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)輕量化設計具有十分重要的意義。

4、總結(jié)

表5法蘭盤輪轂優(yōu)化前后分析結(jié)果對比

本文通過使用OptiStruct完成了對法蘭盤輪轂結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計，在保證剛度性能的前提下，強度性能提升29%且減重8.4Kg（減重率33%），優(yōu)化效果相當明顯，且取得了非?？捎^的經(jīng)濟效益。本文的主旨在于拋磚引玉，以一個法蘭盤輪轂的優(yōu)化為引子，來說明基于OptiStruct對產(chǎn)品輕量化設計的指導意義，為企業(yè)快速成長、提升產(chǎn)品競爭力提供參考依據(jù)。

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