基于optis的平板拖車輪轂拓撲優(yōu)化設計

1、Altair 2015 技術大會集基于 OptiStruct 的平板拖車輪轂拓撲優(yōu)化設計（合力、合肥。230601）摘要：本文基于拓撲優(yōu)化理論和有限元方法，采用 OptiStruct 優(yōu)化軟件對某型平板拖車輪轂進行了拓撲優(yōu)化。得出最優(yōu)材料分布方案后，對輪轂進行結構重新設計。結果表明，拓撲優(yōu)化后輪轂的剛度和強度都比原始設計的要好，重量也更輕。：輪轂 拓撲優(yōu)化 拖車 有限元分析 OptiStructTopology optimization design of Trailer wheel hubbased on OptiStructChen Jie Zhang Yan(ANHUI HELI CO.

2、,Li Gecao.Hefei,230601)Abstract:This paper based on topology optimization theory and finite element method, using OptiStruct software to optimize the topology of a trailer wheel hub. After obtaining the optimum material distribution scheme, and redesigned the hub. The results showed that the topolog

3、y optimization hub stiffness and strength is better than the original design, and the weight is lighter too.Key words: hub, topology optimization, trailer, finite element analysis, OptiStruct1.引言拓撲優(yōu)化技術是指在給定的設計空間內找到最佳材料分布和傳力路徑，以提高結構強度或減輕結構重量為目的的一種新興結構設計方法，目前已廣泛在國內外汽車企業(yè)和航空領域應用。在結構輕量化設計中，結構優(yōu)化技術涵蓋了從概念設計

4、階段、基本設計階段到詳細設計階段的全流程，在概念設計階段起主要作用的拓撲優(yōu)化技術得到了全面展示。現代工程機械行業(yè)也逐漸引入優(yōu)化技術，對設計的進行減重輕量化設計，在滿足剛度強度的同時減輕零件的重量。據相關資料顯示，美馳客車橋的輪轂比國內某車橋輪轂輕5Kg，每年可節(jié)約油費 370 元。本文基于 OptiStruct 優(yōu)化技術，運用有限元模擬的方法實現了對輪轂的多工況拓撲優(yōu)化設計，并根據拓撲優(yōu)化結果建立了新輪轂的三維模型，對此模型和原始模型做了靜力學分析對比，驗證了拓撲優(yōu)化結果的可行性。2.工況確定綜合考慮輪轂在實際中的使用情況和相關輪轂校核標準，現確定 4 種典型工況：試驗臺工況：車輪外端面上所有

5、節(jié)點約束 x、y 和 z 三個方向的平移自由度，在輪轂軸處加載豎直向下 160000N 載荷；路面工況：對車輪與地面接觸面區(qū)域內的節(jié)點約束x、y 和 z 三個方向的平移自由度，在輪轂軸處加載豎直方向向下 160000N 載荷；向外側滑工況：對車輪與地面接觸面區(qū)域內的節(jié)點約束 x、y 和 z 三個方向的平移自由度，加載豎直向下 80000N 載荷，水平向外 36000N 載荷。向內側滑工況：對車輪與地面接觸面區(qū)域內的節(jié)點約束 x、y 和 z 三個方向的平移自由度，加載豎直向下 80000N 載荷，水平向內 36000N 載荷。3.輪轂拓撲優(yōu)化模型建立根據輪轂的實際使用情況，將其輪輻部位全部填實，

6、得到拓撲優(yōu)化有限元模型，如圖一所示，其中黃域為輪輻拓撲優(yōu)化搜索區(qū)域，設為設計空間；綠域用于支撐軸承的安Altair 2015 技術大會集裝、半軸安裝和輪胎安裝的位置，設為非設計區(qū)域。設計空間圖一 輪轂拓撲優(yōu)化模型非設計空間3. 拓撲優(yōu)化3.1 拓撲優(yōu)化問題描述拓撲優(yōu)化問題的基本原理是通過優(yōu)化模型的建立，運用各種優(yōu)化方法，通過滿足設計要求的條件下迭代計算，求得目標函數的極值，得到最優(yōu)設計方案。其中目標函數和設計變量通常為體積百分比、應變能、模態(tài)、質量和變形量等。優(yōu)化設計的數學模型可以表述為：MinF(x)=(x1,x2,xn)FindX=(x1,x2,xn)TRS.tgi(X)= gi(x1,x

7、2,xn) 0 I=(1,2,m)hj(X)=hj(x1,x2,xn)=0 j=(1,2,n)式中 F(x)設計變量的目標函數； xn設計變量；gi(X)，hj(X)約束條件； m，n狀態(tài)變量的個數。本文輪轂拓撲優(yōu)化問題描述如下：目標函數為應變能最小；約束函數為體積百分比上線 35%；設計變量為拓撲優(yōu)化模型中的換色網格的單元密度；制造約束為軸向等分對稱循環(huán)。3.2 拓撲優(yōu)化計算結果模型經過多次迭代后，可得到拓撲優(yōu)化結果，標值表示優(yōu)化后單元密度值，密度值越大的單元越重要，用紅色表示，是設計需要保留的單元，相應區(qū)域是需要保留的區(qū)域，密度值較小的區(qū)域，用表示，則是優(yōu)化后需要去除的區(qū)域，當輪轂拓撲優(yōu)化

8、單元密度值取 0.1時的單元密度等值面圖如圖二所示。Altair 2015 技術大會集圖二 拓撲優(yōu)化后模型3.3 三維模型建立根據輪轂的拓撲優(yōu)化結果，通過 OSSmooth 工具導出單元密度閥值為 0.1 的三維模型，根據導出的三維模型，同時結合鑄造工藝進行三維模型進行局部調整，最終確定輪轂三維模型如圖三所示。圖三 新設計輪轂三維模型4. 優(yōu)化前后輪轂模型的性能對比對輪轂原始模型與優(yōu)化后模型進行 4 種工況的靜力學分析對比，以了解優(yōu)化后結構的剛度與強度是否滿足設計需求。4.1 強度對比同工況靜力學分析對比云圖如下：原始模型新模型Altair 2015 技術大會集工況一工況二工況三工況四Alta

9、ir 2015 技術大會集圖四 四種工況應力云圖由圖四可以看出：在 4 種工況下優(yōu)化后模型相對原始模型應力稍有增加，最大應力值為182MPa， 4 種工況的安全系數均大于設計要求的 2 倍的安全系數，且優(yōu)化后的輪轂應力分布更加均勻，結合此類輪轂的使用情況認為優(yōu)化后的輪轂滿足設計需求。4.2 剛度與重量對比限于篇幅，剛度對比不另切圖，只做圖表對比，具體數值見下表一。改前方案與改后方案剛度對比表一從分析結果看，改進模型變形量相對原始模型稍有增加，但是總變形量都比較小最大變形量也才 0.392mm，結合類似輪轂的使用情況認為優(yōu)化后的輪轂剛度滿足設計需求，同時重量由原來的 249.2Kg 減輕到 16

10、4.8Kg，減重了 33.9%，減重明顯。5.結論本文在滿足輪轂試驗標準和實際使用工況的情況下，運用OptiStruct 優(yōu)化技術對該結構進行了多工況的拓撲優(yōu)化設計，拓撲優(yōu)化后重新設計的新模型在力學性能上比原始結構模型稍差，但是滿足設計要求，并且比原始模型減重 33.9%，材料使用量進一步的減少，輪轂結構輕量化得以實現。不過在實際的工程運用中，還是需要在后續(xù)的整車路試試驗中進行驗證，以最終確定結構是否滿足客戶使用。由此可見在設計中，拓撲優(yōu)化技術可以協(xié)助設計工創(chuàng)新有非常重要的指導意義。設計出更輕、更強、更新穎的，對6參考文獻1等編著?；贖yperWorks 的結構優(yōu)化設計技術M。北械工業(yè)，2007., 2005,譚惠豐,等. HyperMesh從入門到精通M .北京:科學2 于開平,3，葉洎沅。優(yōu)化驅動的設計流程J。第三屆中國 CAE 工程分析技術年會暨 2007計算機輔助工程(CAE)技術與應用高級研討會集，2007：447451,基于HyperWorks 的柴油機油底殼有