基于SOLIDWORKS Simulation的汽車轉(zhuǎn)向支架零部件的拓撲優(yōu)化設(shè)計

達索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 張啟成

基于SOLIDWORKS Simulation的汽車轉(zhuǎn)向支架零部件的拓撲優(yōu)化設(shè)計

達索析統(tǒng)（上海）信息技術(shù)有限公司 張啟成

將CAE工具用于設(shè)計仿真的目的是為了創(chuàng)建一個即能滿足使用和加工要求，又能最小化質(zhì)量和成本的產(chǎn)品。目前大部分公司的產(chǎn)品設(shè)計工程師都是基于經(jīng)驗去改進設(shè)計結(jié)果，這使得產(chǎn)品優(yōu)化周期變長，而且很難得到最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。以往傳統(tǒng)的加工方式也導(dǎo)致了某些設(shè)計優(yōu)化的理念因為加工工藝的限制而無法實施。拓撲優(yōu)化技術(shù)作為一種高級的設(shè)計優(yōu)化方法被越來越廣泛地應(yīng)用于汽車關(guān)鍵零部件的設(shè)計。隨著增材制造行業(yè)的發(fā)展，如三維打印等技術(shù)的推廣，突破了很多加工工藝上的瓶頸，使產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計成為可能。

一、引言

設(shè)計更加輕量化、高強度的產(chǎn)品一直以來是高端汽車制造業(yè)所關(guān)注的重點，如一級方程式賽車等。近些年來，很多以往的高端技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在量產(chǎn)型汽車上。隨著整個行業(yè)的發(fā)展以及汽車保有量的不斷增加，社會對于燃油經(jīng)濟性、環(huán)境污染和安全性等問題的關(guān)注度不斷提高。整車重量以及結(jié)構(gòu)強度成為關(guān)鍵的設(shè)計指標?；谟邢拊治龅脑O(shè)計優(yōu)化方法讓汽車整車及零部件廠商有能力找到更加創(chuàng)新、高效的方法去創(chuàng)建更輕量化且更高可靠性的產(chǎn)品。

以往的零部件產(chǎn)品開發(fā)流程往往是從產(chǎn)品設(shè)計開始，進而由專業(yè)的分析工程師進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、電磁或熱仿真分析，然后進行樣機試制及檢測。當實物樣機進入試制及檢測階段時，企業(yè)往往要付出大量的成本應(yīng)對可能出現(xiàn)的設(shè)計錯誤及返工。基于時間及成本因素的考慮，設(shè)計師開始越來越廣泛地采用結(jié)合設(shè)計優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 結(jié)合設(shè)計優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程

拓撲優(yōu)化是行業(yè)中領(lǐng)先的優(yōu)化手段之一，如圖2所示。從一個初始的設(shè)計開始，產(chǎn)品研發(fā)人員借助相應(yīng)的CAE軟件，自動進行迭代，最終得到一個符合硬性指標要求同時在其他方面最優(yōu)化的設(shè)計。拓撲優(yōu)化多應(yīng)用于滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下，尋找材料使用最小、形狀最優(yōu)的設(shè)計優(yōu)化場景中。

圖2 拓撲優(yōu)化得到最輕量化的產(chǎn)品設(shè)計

SOLIDWORKS Simulation提供了簡單易用的拓撲優(yōu)化解決方案，幫助普通結(jié)構(gòu)工程師更加簡單快速地在一個軟件環(huán)境下優(yōu)化自己的設(shè)計。工程師只需指定模型的材料，定義其約束條件、工作載荷以及其他關(guān)鍵性能指標等基本CAE分析的參數(shù)，設(shè)置好目標，SOLIDWORKS Simulation會自動進行迭代，直至找到最優(yōu)的結(jié)果。

二、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵零部件拓撲優(yōu)化設(shè)計

接下來我們將拓撲優(yōu)化用于一個汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵支架零件設(shè)計。圖3中的紅色零件是此零件以往常見的設(shè)計，分析工程師已經(jīng)對其進行了有限元分析，其可以滿足在振動環(huán)境中的結(jié)構(gòu)強度。但是目前我們對此零件提出了更高的要求，即在滿足原有使用條件的前提下，盡量降低其重量及材料成本。

圖3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵支架零件設(shè)計

三、在SOLIDWORKS中進行設(shè)計優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是基于一個已有的初始設(shè)計模型，這里我們可以看到該支架零件與周邊各零部件的連接及裝配關(guān)系，如圖4所示。

圖4 支架零件裝配環(huán)境

參考周邊已有的零部件，我們得到一個初始設(shè)計模型，如圖5所示。

圖5 支架零件初始設(shè)計模型

我們可以重用以往的歷史數(shù)據(jù)，也可以快速新建一個粗略的模型。拓撲優(yōu)化技術(shù)會自動進行迭代而找到最優(yōu)的結(jié)果。這對于創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)具有很大的實用價值，因為工程師在一個創(chuàng)新產(chǎn)品的最初階段，往往沒有歷史數(shù)據(jù)或知識可以借用，對未來的設(shè)計結(jié)果可能會有多種方案選擇，工程師會對這些選項進行試探性的設(shè)計并驗證，這無疑浪費了大量的時間和精力，而且無法確定最優(yōu)的設(shè)計方案。

在SOLIDWORKS Simulation中選擇一個新的算例，并選擇拓撲算例。這里軟件會引導(dǎo)用戶按照一個簡單且標準化的流程進行設(shè)計優(yōu)化。一旦進入拓撲優(yōu)化的工作流程，用戶在指定好材料、邊界條件、負載以及優(yōu)化目標后，軟件會進行自動迭代直到最優(yōu)結(jié)果產(chǎn)生。最終的結(jié)果依然在SOLIDWORKS環(huán)境下，雖然拓撲優(yōu)化的目的是為了得到一個最優(yōu)化的模型，但是用戶依然可以在SOLIDWORKS中對設(shè)計進行調(diào)整及修正，或進行加工仿真。本文對初始零件進行材料、邊界條件和負載的定義如圖6所示。

圖6 基本參數(shù)和條件定義

接下來就是拓撲優(yōu)化與其他設(shè)計優(yōu)化不同的地方。在拓撲優(yōu)化的流程中，用戶需要指定優(yōu)化目標。SOLIDWORKS Simulation中允許用戶選擇最佳強度重量比、最小化最大位移等多種目標。另外，考慮到加工工藝，軟件允許用戶單獨定義一些保留區(qū)域，作為強制保留的面，在優(yōu)化過程中禁止被移除。在進行最終運算之前，我們可以看到所有設(shè)置完成以后的SOLIDWORKS Simulation模型樹，所圖7所示。

圖7 Simulation模型樹

運行算例后我們就可以看到在SOLIDWORKS Simulation中的拓撲優(yōu)化迭代情況。為了更好地了解拓撲優(yōu)化每次迭代的準確數(shù)據(jù)，可以查看收斂數(shù)據(jù)圖表，如圖8所示。

圖8 收斂數(shù)據(jù)圖表

在迭代至21次之后結(jié)果開始趨于收斂。最終我們得到一個材料質(zhì)量圖解，灰色部分為該零件初始的設(shè)計空間，而綠色部分就是經(jīng)過拓撲優(yōu)化之后的最優(yōu)結(jié)果。這個結(jié)果可以導(dǎo)出實體或曲面模型，繼續(xù)在SOLIDWORKS中進行設(shè)計修改或調(diào)整，由此可以得出圖9的結(jié)果。

圖9 最優(yōu)結(jié)果

四、結(jié)語

在產(chǎn)品開發(fā)早期采用設(shè)計優(yōu)化研究可以最大程度地降低因為設(shè)計變更造成的浪費及返工成本。而拓撲優(yōu)化作為一項成熟的設(shè)計優(yōu)化方法，可以通過自動迭代的方式幫助工程師得到最優(yōu)結(jié)果?？梢钥吹?，采用SOLIDWORKS Simulation拓撲優(yōu)化，給定材料、邊界條件和負載等設(shè)置后，設(shè)定相應(yīng)的目標，我們可以將支架零件的重量從最初的0.15kg優(yōu)化到最終的0.09kg，這無疑會顯著地縮減成本。這個結(jié)果也證明了SOLIDWORKS Simulation的拓撲優(yōu)化技術(shù)可以幫助用戶成功地設(shè)計更加輕量化的汽車零部件。