基于HyperMesh-Optistruct轉(zhuǎn)向機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

高靜，梁江波，偶晨陽，安俊龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperMesh-Optistruct轉(zhuǎn)向機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

高靜，梁江波，偶晨陽，安俊龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

利用通用有限元分析軟件HyperWorks11.0，對(duì)某重型車轉(zhuǎn)向機(jī)支架進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后模型在滿足零部件安全可靠性設(shè)計(jì)要求的前提下，減重效果明顯，達(dá)到了輕量化的目的。

Hypermesh11.0；轉(zhuǎn)向機(jī)支架；靜強(qiáng)度分析；拓?fù)鋬?yōu)化；可靠性

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-58-02

引言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種規(guī)格化的設(shè)計(jì)方法，要綜合各方面的因素、要求、約束條件等等，將設(shè)計(jì)問題按優(yōu)化設(shè)計(jì)所規(guī)定的格式建立健全數(shù)學(xué)模型，選擇合適的優(yōu)化方法及計(jì)算機(jī)程序，然后再通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算，自動(dòng)獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，從而產(chǎn)生一個(gè)理想的設(shè)計(jì)[1]。一般的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題都包括三個(gè)基本概念：設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)。隨著計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域里結(jié)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論及方法的不斷更新，使得大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的輕量化成為可能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的發(fā)展己不再是單純要求設(shè)計(jì)師憑借經(jīng)驗(yàn)去創(chuàng)造設(shè)計(jì)方案，而是在初定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上運(yùn)用優(yōu)化理論尋求作為目標(biāo)函數(shù)的重量等的最優(yōu)值，從而獲得最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì)[2]。

1、材料屬性和邊界條件

表1 平衡軸支架材料屬性

圖1 約束和加載

約束：轉(zhuǎn)向機(jī)支架與車架連接孔位處六個(gè)。

自由度全部約束； 載荷：在提供的裝配模型中找到加載位置，繞Y向(坐標(biāo)系參考整車坐標(biāo))順時(shí)針和逆時(shí)針加載6350N?m兩種扭矩（兩種工況），此加載點(diǎn)和另外四個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)連接孔位置剛性連接。

2、設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)支架原模型

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化概念模型

結(jié)合原模型結(jié)構(gòu)，對(duì)原模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到如圖所示拓?fù)鋬?yōu)化概念模型[3]，以此作為減重設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)原支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 支架優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

減重思路：結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化概念模型及原模型位移、靜強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果，在局部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化減重[4]。優(yōu)化設(shè)計(jì)后模型質(zhì)量16.22kg，較原模型減重1.168kg。

3、靜強(qiáng)度分析

對(duì)該轉(zhuǎn)向機(jī)支架優(yōu)化前后模型各工況靜強(qiáng)度分析結(jié)果如下圖[5]：

圖5 模態(tài)分析圖

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果綜合比較

4、結(jié)論

經(jīng)過對(duì)原模型和優(yōu)化后模型順時(shí)針扭矩工況、逆時(shí)針扭矩兩個(gè)工況的靜強(qiáng)度分析計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)后模型在減重1.168kg的條件下，靜強(qiáng)度各工況安全系數(shù)都有較小幅度的減?。痪C合比較知，優(yōu)化后模型在安全可靠性方面較原模型基本趨于一致[6]。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版設(shè),2008.

[4] 周中堅(jiān),盧耀祖.機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析.長(zhǎng)春:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[5] 龔培剛.有限元方法及其在汽車工程中的應(yīng)用.重慶:重慶大學(xué)出版社,1988.

[6] 馬文華等.彈性塑性有限元.湖南:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1983.

Based on HyperMesh - turning machine Optistruct topology optimization design

Gao Jing, Liang Jiangbo, Ou Chenyang, An Junlong
( Shaanxi Automoblie Group CO., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The use of finite element analysis software HyperWorks11.0, For a heavy vehicle steering bracket static strength analysis and topology optimization design, The optimized model components meet the safety and reliability of the design requirements of the premise, Weight loss effect is obvious, Achieve the purpose of lightweight.

Hypermesh11.0; Steering bracket; Static strength analysis; Topology Optimization; reliability

U462.1

A

1671-7988(2016)07-58-02

高靜，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.018