考虑振动与稳定性的带筋薄壁结构变密度拓扑优化方法

1.几何模型与设计空间定义：①初始 CAD 模型：创建一个包含所有关键硬点（轮心、主销上下点、减震器安装点、制动卡钳安装点、控制臂连接点等）的几何模型。这个模型应该足够大，能够容纳所有可能的材料分布。②设计空间：将转向节主体区域（去除安装孔、螺栓孔、轴承座等不可优化的区域）定义为设计空间。这些不可优化的区域通常是需要保留以安装其他部件或传递载荷的结构。③非设计空间：明确指定不可优化的区域，如：所有安装孔、螺栓孔（及其周围的凸台）。轮毂轴承座区域（需要保证轴承安装精度和刚度）。主销孔（或球铰安装座）。制动卡钳安装面。减震器安装点。控制臂安装点。与周围部件（如轮毂、制动盘、转向拉杆）可能发生干涉的区域，本例研究的转向节设计空间与非设计空间如图1所示，红色 区域为设计空间： 图1 转向节拓扑优化空间定义示意图④网格划分：使用高质量的四面体对设计空间和非设计空间进行网格划分。网格密度需要足够细，以捕捉潜在的优化结构细节，但也要考虑计算效率。关键区域（如载荷施加点、约束点、预期高应力区）需要更密的网格。2.材料属性定义：①为设计空间和非设计空间赋予真实的材料属性。②定义弹性模量 (E)、泊松比 (ν)、密度 (ρ)，如图2所示： 图2 材料参数设置3.载荷工况定义：①识别关键工况：这是最重要的一步。转向节在车辆行驶中承受多种复合载荷。典型的独立工况或组合工况包括：最大垂直力工况：模拟车辆过坑或冲击，轮心受到向上的巨大冲击力。最大制动力工况：模拟紧急制动，轮心受到纵向制动力（向后），同时制动卡钳受到反向作用力（向前）。最大转向力工况：模拟转向轮遇到障碍或极限转向，轮心受到侧向力（向内或向外）。最大驱动力工况：（对于驱动轮）模拟急加速，轮心受到纵向驱动力（向前）。弯扭组合工况：经常是垂直力 + 制动力/驱动力 + 侧向力的组合，模拟车辆过弯制动/加速。耐久性工况：考虑循环载荷，用于后续疲劳分析或作为优化的约束条件。②载荷施加：轮心：施加力和力矩（Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz），通常通过 RBE2/RBE3 单元连接到轮心点。制动卡钳：施加制动力或驱动力反作用力（Fx）。减震器：施加垂向力（Fz）。控制臂：通过 RBE2/RBE3 单元在连接点施加约束或力（取决于分析模型）。主销/球铰：施加约束（通常是旋转约束，模拟主销轴线）。③载荷大小：载荷大小应基于车辆参数（重量、轴荷分配、重心高度、轮胎摩擦系数等）和设计目标（如满足特定法规或耐久性目标）进行计算或通过多体动力学仿真（如 Adams/Car）提取，本例转向节工况载荷加载如图3所示： 图3 转向节工况加载图4.边界条件定义：①主销/球铰约束：在转向节的主销孔或球铰安装点施加约束，模拟其绕主销轴线的旋转自由度。通常约束 5 个自由度（除了绕主销的旋转自由度 Rx）。②其他约束：根据具体分析模型，可能需要约束控制臂连接点的某些自由度。①目标函数 (Objective)：最常用的是最小化柔度（最大化整体刚度），对应 DTPL卡片。有时在满足性能约束下最小化质量 (MASS)，转向节拓扑优化目标函数按照最小化质量进行设置②约束条件 (Constraints)：体积分数约束：定义设计空间允许使用的最大材料体积百分比 (`VOLFRAC`)。这是控制减重幅度的主要约束，VOLFRAC = 0.3 表示最多使用设计空间 30% 的材料）。5.制造约束：拔模方向约束 (DRAW):定义铸造所需的拔模方向，确保优化结果可铸造。对称约束 (SYMM):如果转向节设计是左右对称的（通常不是，因为主销可能有后倾角、内倾角），可以施加对称约束。最小/最大成员尺寸控制 (MINDIM/MAXDIM):避免过细的杆件（制造困难，应力高）或过大的实体区域（不利于减重）。性能约束 (可选但推荐)：位移约束 (DISP):限制关键点（如轮心）的位移，保证悬架运动学/弹性运动学性能。应力约束 (STRESS):在拓扑优化中直接施加全局应力约束计算量大且可能不稳定，通常作为后续尺寸/形状优化的约束。6. 提交计算与监控：①将定义好的模型（网格、属性、载荷、边界条件、优化设置）提交给 OptiStruct 求解器。②监控求解日志文件 (.out/.log) 和迭代过程文件 (.iter)，了解收敛情况、警告和错误信息。迭代过程如图5所示： 图5 优化迭代过程7.结果解读与后处理：密度云图：在 HyperView 中查看设计空间的单元密度（伪密度）分布 (0~1)。密度接近 1 的区域是必须保留的“实心”结构，密度接近 0 的区域是可以去除的材料，中间值表示需要解释的过渡区域，转向节拓扑优化单元密度云图如图6和图7所示： 图6 单元密度显示设置 图7 转向节单元密度显示 来源：320科技工作室