基于拓?fù)鋬?yōu)化的轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計

莊海濤　張倩文

摘 要：為了迎合現(xiàn)代汽車輕量化設(shè)計主流趨勢，在綜述了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，將TOSCA軟件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的功能應(yīng)用于某轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計上，同時考慮其復(fù)雜成型工藝進行了局部形狀及尺寸的優(yōu)化，再與傳統(tǒng)方法設(shè)計的成熟車型的轉(zhuǎn)向節(jié)相結(jié)合后得出優(yōu)化方案，為相同類型的結(jié)構(gòu)部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計提供了新的思路。關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化;輕量化;轉(zhuǎn)向節(jié)中圖分類號：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-66-02

Abstract：?To cater to mainstream trend of modern automotive lightweight-design， Firstly， topology optimization design methods are summarized.?Then TOSCA software structure optimization is applied on a steering knuckle optimization design as as well as its shape and size optimization of the part and then with the traditional method to design the maturity model of the steering knuckle after the combination of optimization scheme.?At last，?the research brings forward an effective approach for lightweight design of similar types of structures.Keywords： Topology Optimization; lightweigh; KnuckleCLC NO.：?U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-66-02

前言

如今在汽車工業(yè)設(shè)計中，輕量化是一種主流趨勢。輕量化的方法有很多種，其中部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在不改變材料且不犧牲結(jié)構(gòu)強度特性的前提下實現(xiàn)部件質(zhì)量的最小化。拓?fù)鋬?yōu)化是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的先進方法，它可以根據(jù)給定的加載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。通過拓?fù)鋬?yōu)化手段，在產(chǎn)品設(shè)計初期，對產(chǎn)品所需性能予以全盤考慮，可以在設(shè)定的設(shè)計空間下找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計思路。

對轉(zhuǎn)向節(jié)進行輕量化設(shè)計不但可以提高車輛的動力性，減少簧下質(zhì)量提升舒適性，還可以減少能源消耗、減小污染，同時能降低車輛的制造成本。轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車重要安全零部件，在進行輕量化設(shè)計過程中如果不考慮結(jié)構(gòu)、工藝等因素，勢必會造成轉(zhuǎn)向節(jié)強度和剛度等性能的降低，形成重大的安全隱患。

1 設(shè)計背景

某車型進行中期改款，原轉(zhuǎn)向節(jié)方案設(shè)計采用40Cr材料鍛造成型工藝，實物重量4.29kg。對此轉(zhuǎn)向節(jié)進行強度校核時發(fā)現(xiàn)其安全系數(shù)較大?；谳p量化設(shè)計理念，在保證硬點與安裝尺寸不變的前提下，對此轉(zhuǎn)向節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 優(yōu)化過程

2.1 結(jié)構(gòu)重塑

Tosca是一個完善的具有世界領(lǐng)先水平的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化系統(tǒng)，能夠在給定的可設(shè)計空間中，根據(jù)指定的加載和邊界條件計算出最佳的設(shè)計方案作為設(shè)計參考。

將轉(zhuǎn)向節(jié)原方案導(dǎo)入Tosca，加載通過Adams提取的實車載荷及實車邊界進行拓?fù)浞治?，分析結(jié)果見圖1。結(jié)果顯示圖中灰色區(qū)域均是可進行減重優(yōu)化的區(qū)域。以拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果為參考，在CATIA中分別對卡鉗安裝支架、轉(zhuǎn)向拉桿節(jié)臂、擺臂球銷節(jié)臂進行減料優(yōu)化;取消拉桿節(jié)臂檢具定位凸臺;以及其他細(xì)節(jié)的優(yōu)化，例如倒角等。優(yōu)化前后方案對比見圖2。在Adams提取改款車型的轉(zhuǎn)向節(jié)在垂向沖擊工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動工況、靜止起步工況和復(fù)合工況下的受力載荷，然后按照實車邊界條件對轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化方案進行強度分析，分析結(jié)果見圖4，降重前轉(zhuǎn)向節(jié)分析結(jié)果見圖5。

2.2 優(yōu)化后強度分析

在Adams提取該車型轉(zhuǎn)向節(jié)硬點在垂向沖擊工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動工況、靜止起步工況和復(fù)合工況下的受力載荷，然后按照實車邊界條件對轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化方案進行強度分析，優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)各工況強度分析安全系數(shù)均大于2，與優(yōu)化前相比，相差不大，優(yōu)化后重量3.9kg，降重0.39kg，效果明顯。

分析結(jié)果見圖3，降重前轉(zhuǎn)向節(jié)分析結(jié)果見圖4。

通過對其他車型轉(zhuǎn)向節(jié)強度分析安全系數(shù)對比，優(yōu)化后方案與我司其他車型相比，各工況強度變化趨勢一致，分析結(jié)果合理可行。

2.3 工藝分析

經(jīng)過對輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)方案進行鍛造工藝分析，輕量化方案滿足成型要求，但是對減振器支臂分型需向外移動8mm以滿足分型要求，同時為了適應(yīng)刀具，調(diào)整部分倒角。

3 總結(jié)

本文在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上綜合了形狀及工藝優(yōu)化等多種優(yōu)化設(shè)計手段對轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)進行了輕量化設(shè)計，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足強度或剛度使用要求，并且優(yōu)化后方案實現(xiàn)降重0.39kg，可實現(xiàn)單車降成本約20元，因此對于整車降成本及精益化設(shè)計起到了顯著的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 殷梅，基于HyperWorks拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計研究. Altair2009 HyperWorks 技術(shù)大會論文集，2009.