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关于拓扑优化设计及轻量化设计的探索
摘要：为了迎合现代汽车轻量化设计主流趋势，在综述了拓扑优化设计的基础上，将TOSCA软件结构优化的功能应用于某转向节优化设计上，同时考虑其复杂成型工艺进行了局部形状及尺寸的优化，再与传统方法设计的成熟车型的转向节相结合后得出优化方案，为相同类型的结构部件结构优化及轻量化设计提供了新的思路。
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如今在汽车工业设计中，轻量化是一种主流趋势。轻量化的方法有很多种，其中部件结构优化可以在不改变材料且不牺牲结构强度特性的前提下实现部件质量的最小化。拓扑优化是一种结构优化的先进方法，它可以根据给定的加载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法。通过拓扑优化手段，在产品设计初期，对产品所需性能予以全盘考虑，可以在设定的设计空间下找到最佳的产品设计思路。
对转向节进行轻量化设计不但可以提高车辆的动力性，减少簧下质量提升舒适性，还可以减少能源消耗、减小污染，同时能降低车辆的制造成本。转向节作为汽车重要安全零部件，在进行轻量化设计过程中如果不考虑结构、工艺等因素，势必会造成转向节强度和刚度等性能的降低，形成重大的安全隐患。
1、设计背景
某车型进行中期改款，原转向节方案设计采用40Cr材料锻造成型工艺，实物重量4.29kg。对此转向节进行强度校核时发现其安全系数较大。基于轻量化设计理念，在保证硬点与安装尺寸不变的前提下，对此转向节进行优化设计。
2、优化过程
2.1结构重塑
Tosca是一个完善的具有世界领先水平的结构拓扑优化系统，能够在给定的可设计空间中，根据指定的加载和边界条件计算出最佳的设计方案作为设计参考。
将转向节原方案导入Tosca，加载通过Adams提取的实车载荷及实车边界进行拓扑分析，分析结果见图1。结果显示图中灰色区域均是可进行减重优化的区域。以拓扑优化分析结果为参考，在CATIA中分别对卡钳安装支架、转向拉杆节臂、摆臂球销节臂进行减料优化；取消拉杆节臂检具定位凸台；以及其他细节的优化，例如倒角等。优化前后方案对比见图2。在Adams提取改款车型的转向节在垂向冲击工况、转弯工况、制动工况、静止起步工况和复合工况下的受力载荷，然后按照实车边界条件对转向节轻量化方案进行强度分析，分析结果见图4，降重前转向节分析结果见图5。
图1拓扑分析结果
图2优化前/优化后结构方案
2.2优化后强度分析
图3优化后强度云图
在Adams提取该车型转向节硬点在垂向冲击工况、转弯工况、制动工况、静止起步工况和复合工况下的受力载荷，然后按照实车边界条件对转向节轻量化方案进行强度分析，优化后转向节各工况强度分析安全系数均大于2，与优化前相比，相差不大，优化后重量3.9kg，降重0.39kg，效果明显。分析结果见图3，降重前转向节分析结果见图4。
图4优化前强度云图
表2优化前分析结果
通过对其他车型转向节强度分析安全系数对比，优化后方案与我司其他车型相比，各工况强度变化趋势一致，分析结果合理可行。
表3转向节强度分析类比下载原表
表3转向节强度分析类比
2.3工艺分析
经过对轻量化转向节方案进行锻造工艺分析，轻量化方案满足成型要求，但是对减振器支臂分型需向外移动8mm以满足分型要求，同时为了适应刀具，调整部分倒角。
3、总结
本文在拓扑优化的基础上综合了形状及工艺优化等多种优化设计手段对转向节结进行了轻量化设计，优化后的转向节满足强度或刚度使用要求，并且优化后方案实现降重0.39kg，可实现单车降成本约20元，因此对于整车降成本及精益化设计起到了显著的作用。
参考文献：
[1]芮强,OptiStruct结构优化方法及其在车体结构轻量化设计上的应用.Altair2009HyperWorks技术大会论文集,2009.
[3]殷梅,基于HyperWorks拓扑优化技术的汽车转向节设计研究.Altair2009HyperWorks技术大会论文集,2009.
庄海涛,张倩文.基于拓扑优化的转向节轻量化设计[J].汽车实用技术,2020(11):66-67.
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