基于OptiStruct的平板拖車輪轂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
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葛立銀，張 巖，李戈操
（安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601）
摘要：基于拓?fù)鋬?yōu)化理論和有限元方法，采用OptiStruct優(yōu)化軟件對(duì)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(duì)輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：拓?fù)鋬?yōu)花后輪轂的剛度和強(qiáng)度都比原始設(shè)計(jì)的要好，重量也更輕。
關(guān)鍵詞：輪轂；拓?fù)鋬?yōu)化；拖車；有限元分析；OptiStruct中圖分類號(hào)：TP3 91.7
0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，目前已廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域和汽車行業(yè)。
現(xiàn)代工程機(jī)械領(lǐng)域也逐漸引入此優(yōu)化技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(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(guó)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Hypermesh軟件實(shí)現(xiàn)了輪轂的多工況拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立了輪轂的新三維模型，對(duì)此模型和原始模型做了靜力學(xué)分析對(duì)比，驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化的可行性。
1仿真工況確定
綜合考慮輪轂的行業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和輪轂在實(shí)際中的使用情況，確定了4種典型工況：①試驗(yàn)臺(tái)工況：車輪外端面上所有節(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160 000 N載荷；②路面工況：對(duì)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向下160 000 N載荷；③向外側(cè)滑工況：對(duì)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80 000 N載荷、水平向外36 000 N載荷；④向內(nèi)側(cè)滑工況：對(duì)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80 000 N載荷、水平向內(nèi)36 000 N載荷。
2輪轂拓?fù)鋬?yōu)化模型建立
本次拓?fù)鋬?yōu)化的主要目的是為了找到最優(yōu)的輪轂材料分布方案，故將其中間部位全部填實(shí)，得到拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型。其中圖1(a)為輪轂拓?fù)鋬?yōu)化搜索區(qū)域，即允許材料分布變化，設(shè)為設(shè)計(jì)空間；而用于支撐軸承的安裝、半軸安裝和輪胎安裝的位置設(shè)為非設(shè)計(jì)區(qū)域，該區(qū)域材料不做優(yōu)化，具體位置如圖1(b)所示。
3拓?fù)鋬?yōu)化
3.1 拓?fù)鋬?yōu)化基本原理
拓?fù)鋬?yōu)化問題的基本原理是：首先建立優(yōu)化模型，再運(yùn)用單元密度優(yōu)化方法進(jìn)行迭代計(jì)算，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，求得目標(biāo)函數(shù)的極限值，最終得出最優(yōu)的設(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，目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間可以相互轉(zhuǎn)換，而不影響最終優(yōu)化結(jié)果。
本文輪轂拓?fù)鋬?yōu)化問題描述如下：目標(biāo)函數(shù)為加權(quán)應(yīng)變能最��；約束函數(shù)為體積小于設(shè)計(jì)空間體積的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(duì)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，得到最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，其中標(biāo)值表示優(yōu)化后單元密度值，密度值越大的單元越是重要，需要保留，相應(yīng)區(qū)域是設(shè)計(jì)需要保留的位置；而密度值較小的區(qū)域，則是設(shè)計(jì)需要優(yōu)化去除的區(qū)域。當(dāng)輪轂拓?fù)鋬?yōu)化單元密度值取0.1時(shí)的單元密度等值面圖如圖2所示。
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)合鑄造工藝和實(shí)際裝配情況對(duì)輪轂進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)輪轂三維模型如圖3所示。
4優(yōu)化前后輪轂?zāi)Ｐ偷男阅軐?duì)比
對(duì)輪轂原始模型和優(yōu)化后模型進(jìn)行同工況的靜力學(xué)分析對(duì)比，以明確優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是否滿足設(shè)計(jì)需求，如果新模型不滿足要求，后續(xù)需對(duì)新模型進(jìn)行形狀優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化等，直至優(yōu)化出滿足設(shè)計(jì)要求的輪轂。
4.1 強(qiáng)度對(duì)比
各工況優(yōu)化前、后輪轂強(qiáng)度分析對(duì)比如圖4～圖7所示。
通過4種工況分析對(duì)比可以看出：新模型相對(duì)原始模型應(yīng)力稍有增加，最大應(yīng)力值為182 M Pa。其中輪轂材料材質(zhì)為QT450，屈服強(qiáng)度為320 M Pa，抗拉強(qiáng)度為450 M Pa。在4種工況下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(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)力分布更加均勻和合理。結(jié)合此類輪轂的實(shí)際使用情況認(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(duì)比
限于篇幅，剛度對(duì)比不在另行切圖，只做表格數(shù)值對(duì)比，具體見表1。
從分析結(jié)果看，改進(jìn)后的輪轂變形量相對(duì)原始輪轂稍有增加，但是總變形量都比較小，最大變形量為0. 392 mm，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)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249.2 kg減輕到164.8 kg．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(duì)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)的新模型的應(yīng)力和變形均比原模型稍大，但能滿足設(shè)計(jì)要求。新模型比原模型減重33. 9%，減重明顯，節(jié)約了制造成本和客戶使用成本。不過尚需要在后續(xù)的整車道路試驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，以最終確定結(jié)構(gòu)是否滿足客戶
的使用要求。
