1、Altair 2015 技術(shù)大會(huì)集基于 OptiStruct 的平板拖車輪轂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)（合力、合肥。230601）摘要：本文基于拓?fù)鋬?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(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。得出最優(yōu)材料分布方案后，對輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化后輪轂的剛度和強(qiáng)度都比原始設(shè)計(jì)的要好，重量也更輕。：輪轂 拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳材料分布和傳力路徑，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或減輕結(jié)構(gòu)重量為目的的一種新興結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，目前已廣泛在國內(nèi)外汽車企業(yè)和航空領(lǐng)域應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)涵蓋了從概念設(shè)計(jì)

4、階段、基本設(shè)計(jì)階段到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的全流程，在概念設(shè)計(jì)階段起主要作用的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到了全面展示?，F(xiàn)代工程機(jī)械行業(yè)也逐漸引入優(yōu)化技術(shù)，對設(shè)計(jì)的進(jìn)行減重輕量化設(shè)計(jì)，在滿足剛度強(qiáng)度的同時(shí)減輕零件的重量。據(jù)相關(guān)資料顯示，美馳客車橋的輪轂比國內(nèi)某車橋輪轂輕5Kg，每年可節(jié)約油費(fèi) 370 元。本文基于 OptiStruct 優(yōu)化技術(shù)，運(yùn)用有限元模擬的方法實(shí)現(xiàn)了對輪轂的多工況拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)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(xué)分析對比，驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的可行性。2.工況確定綜合考慮輪轂在實(shí)際中的使用情況和相關(guān)輪轂校核標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)確定 4 種典型工況：試驗(yàn)臺工況：車輪外端面上所有

5、節(jié)點(diǎn)約束 x、y 和 z 三個(gè)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(nèi)的節(jié)點(diǎn)約束x、y 和 z 三個(gè)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(cè)滑工況：對車輪與地面接觸面區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)約束 x、y 和 z 三個(gè)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(nèi)側(cè)滑工況：對車輪與地面接觸面區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)約束 x、y 和 z 三個(gè)方向的平移自由度，加載豎直向下 80000N 載荷，水平向內(nèi) 36000N 載荷。3.輪轂拓?fù)鋬?yōu)化模型建立根據(jù)輪轂的實(shí)際使用情況，將其輪輻部位全部填實(shí)，

6、得到拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型，如圖一所示，其中黃域?yàn)檩嗇椡負(fù)鋬?yōu)化搜索區(qū)域，設(shè)為設(shè)計(jì)空間；綠域用于支撐軸承的安Altair 2015 技術(shù)大會(huì)集裝、半軸安裝和輪胎安裝的位置，設(shè)為非設(shè)計(jì)區(qū)域。設(shè)計(jì)空間圖一 輪轂拓?fù)鋬?yōu)化模型非設(shè)計(jì)空間3. 拓?fù)鋬?yōu)化3.1 拓?fù)鋬?yōu)化問題描述拓?fù)鋬?yōu)化問題的基本原理是通過優(yōu)化模型的建立，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過滿足設(shè)計(jì)要求的條件下迭代計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。其中目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量通常為體積百分比、應(yīng)變能、模態(tài)、質(zhì)量和變形量等。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)； xn設(shè)計(jì)變量；gi(X)，hj(X)約束條件； m，n狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)。本文輪轂拓?fù)鋬?yōu)化問題描述如下：目標(biāo)函數(shù)為應(yīng)變能最??；約束函數(shù)為體積百分比上線 35%；設(shè)計(jì)變量為拓?fù)鋬?yōu)化模型中的換色網(wǎng)格的單元密度；制造約束為軸向等分對稱循環(huán)。3.2 拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果模型經(jīng)過多次迭代后，可得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，標(biāo)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(shè)計(jì)需要保留的單元，相應(yīng)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(dāng)輪轂拓?fù)鋬?yōu)化

8、單元密度值取 0.1時(shí)的單元密度等值面圖如圖二所示。Altair 2015 技術(shù)大會(huì)集圖二 拓?fù)鋬?yōu)化后模型3.3 三維模型建立根據(jù)輪轂的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，通過 OSSmooth 工具導(dǎo)出單元密度閥值為 0.1 的三維模型，根據(jù)導(dǎo)出的三維模型，同時(shí)結(jié)合鑄造工藝進(jìn)行三維模型進(jìn)行局部調(diào)整，最終確定輪轂三維模型如圖三所示。圖三 新設(shè)計(jì)輪轂三維模型4. 優(yōu)化前后輪轂?zāi)Ｐ偷男阅軐Ρ葘嗇炘寄Ｐ团c優(yōu)化后模型進(jìn)行 4 種工況的靜力學(xué)分析對比，以了解優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)需求。4.1 強(qiáng)度對比同工況靜力學(xué)分析對比云圖如下：原始模型新模型Altair 2015 技術(shù)大會(huì)集工況一工況二工況三工況四Alta

9、ir 2015 技術(shù)大會(huì)集圖四 四種工況應(yīng)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(yīng)力稍有增加，最大應(yīng)力值為182MPa， 4 種工況的安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)要求的 2 倍的安全系數(shù)，且優(yōu)化后的輪轂應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)合此類輪轂的使用情況認(rèn)為優(yōu)化后的輪轂滿足設(shè)計(jì)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(shù)值見下表一。改前方案與改后方案剛度對比表一從分析結(jié)果看，改進(jìn)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(jié)合類似輪轂的使用情況認(rèn)為優(yōu)化后的輪轂剛度滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)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(jié)論本文在滿足輪轂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際使用工況的情況下，運(yùn)用OptiStruct 優(yōu)化技術(shù)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多工況的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化后重新設(shè)計(jì)的新模型在力學(xué)性能上比原始結(jié)構(gòu)模型稍差，但是滿足設(shè)計(jì)要求，并且比原始模型減重 33.9%，材料使用量進(jìn)一步的減少，輪轂結(jié)構(gòu)輕量化得以實(shí)現(xiàn)。不過在實(shí)際的工程運(yùn)用中，還是需要在后續(xù)的整車路試試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，以最終確定結(jié)構(gòu)是否滿足客戶使用。由此可見在設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以協(xié)助設(shè)計(jì)工創(chuàng)新有非常重要的指導(dǎo)意義。設(shè)計(jì)出更輕、更強(qiáng)、更新穎的，對6參考文獻(xiàn)1等編著。基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)M。北械工業(yè)，2007., 2005,譚惠豐,等. HyperMesh從入門到精通M .北京:科學(xué)2 于開平,3，葉洎沅。優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程J。第三屆中國 CAE 工程分析技術(shù)年會(huì)暨 2007計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)與應(yīng)用高級研討會(huì)集，2007：447451,基于HyperWorks 的柴油機(jī)油底殼有