拓扑优化技术在某卡车驾驶室悬置支架设计中的应用 - 创想智造3D打印手板模型加工

1 前言

卡车驾驶室悬置支架是连接驾驶室和底盘的零件，它对驾驶室起到承托作用。当汽车行进时，它同时也把底盘上的震动传递到驾驶室，这会降低驾驶员驾车的舒适度，长时间容易产生疲劳。目前，世界各大重型车生产商都比较重视驾驶室的悬置技术，以期提高自身产品的乘坐舒适度。由此产生了各项新技术，比如“全浮式驾驶室”悬置技术，就是在车身四角四个支点以浮式减振系统与车架底盘相连形成支撑，根据路面情况调节波动幅度。这类系统给驾驶员带来舒适的同时，也提高了对支架的要求。支架需要更高的强度和更小的变形，才能很好地适应新的技术。

本次设计的任务就是利用有限元分析软件HyperWorks对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优化，优化的约束是体积，目标是支架的柔度(Compliance)最小。优化结构应同时满足强度和刚度要求。本次分析和拓扑优化任务是基于优化结构，同时校核并降低应力。其中拓扑优化是设计的核心任务。

拓扑优化技术是一项新兴的设计方法。它可以在方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量。通过这项技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。国外针对汽车底盘、发动机等零部件的拓扑优化分析和设计的研究及应用都已经比较成熟。国内目前仍处于理论研究阶段，各汽车厂家也极少实际应用此项技术。而且当前拓扑优化的软件还不成熟，需要更多的研究和实例应用。目前汽车行业竞争激烈，国内国外各大厂家都在使用或者关注拓扑优化技术，期望通过它来提升产品的竞争力。拓扑优化必将在未来几年得到快速的发展。

拓扑优化技术建立在有限元方法和CAE之上，它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计的重要手段。拓扑优化的思想可追溯到20世纪60年代中期Dom等人的工作，但由于当时结构设计理论和方法的局限，在此后的20年间有关的研究进展缓慢。到了20世纪80年代后期，随着结构优化设计理论和方法的逐步丰富与完善，以及计算机技术的飞速发展，拓扑优化设计重新引起众多学者的关注，并取得前所未有的发展，成为了国际上最前沿的优化设计方法之一。当前，拓扑优化设计已广泛应用于航空航天、机械制造、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、水利等众多领域。

2 有限元模型的建立

2.1 网格划分

有限元前、后处理及分析计算所用软件为Altair HyperMesh。根据驾驶室后悬置支架的结构特点，采用三维实体单元对其进行网格划分。图1为该支架原设计结构的有限元模型图。

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图1 驾驶室后悬置支架模型图

2.2 材料与属性

驾驶室后悬置支架原设计结构所用材料为精铸钢，计算时取弹性模量E为208GPa，泊松比μ为0.3，质量密度ρ为7.82×10-6kg/mm3。

2.3 计算工况及载荷

由于进行本次分析时，还没有实际样车，因此实际运行工况无法确定，根据经验，考虑侧向1.3g、垂直方向3g的加速度冲击，根据多体动力学运动仿真，计算载荷如下图2所示。

3 分析计算与结果

图3为后悬置支架原设计结构的应力云图。图2 边界条件图（即下文的计算工况一）。

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从图3中可看出，原支架设计结构的最大应力值为851MPa，明显偏高。

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图3 后悬置支架原结构的应力云图（图中应力单位为KPa）

4 拓扑优化及改进方案分析计算

为了对原设计结构进行改进，我们在同等工况（即下文中的计算工况一）下对该后悬置支架进行了拓扑优化分析，以便为改进设计提供参考，图4为拓扑优化分析模型，图5为优化后的概念设计模型图。图6则为拓扑优化后的模型与原设计模型对照图。

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图4 拓扑优化分析模型

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图5 优化后的概念设计模型图

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图6 拓扑优化后的模型与原设计模型对照图

在上述计算工况下拓扑优化概念设计模型应力云图如图7所示。

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图7 拓扑优化概念设计模型应力云图（图中应力单位为KPa）

根据优化后的概念设计模型，设计人员提出了如图8所示的支架模型（下文称为改进方案一）。将图8中L缩短50mm，得到另一个支架模型（下文称为改进方案二）。

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图8 后悬置支架改进设计模型

由于进行本次分析时，还没有实际样车，因此实际运行工况无法确定，根据经验，考虑如下表1所列三种计算工况，分别对两种改进设计模型进行有限元分析，表2则列出了三种计算工况下的支架上的应力。图9—10为计算工况一时两种改进设计模型上的应力云图，其他计算工况下对应的应力分布与图示一致，仅应力值不同，此处从略。

表1 三种计算工况及对应的载荷大小列表（参考图2，ay为侧向加速度，az为垂向加速度，α为F1、F2间夹角）

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表2 三种计算工况下四种支架结构模型的峰值应力及部位

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图9 改进方案一在工况一下的应力分布图

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图10 改进方案二在工况一下的应力分布图

5 分析结论

1）驾驶室后悬置支架原设计结构在计算工况一（经后续的试验测量，为实际运行工况）时的最大应力值为851MPa（图3），明显偏大。

2）两种改进设计方案在三种计算工况下的应力分布与原设计方案有明显的不同，峰值部位集中到了与大梁上表面的连接孔附近。

3）在考虑侧向加速度为1.3g（稳态）、垂直加速度为3g（瞬时）时，两种改进设计方案的应力峰值均在300MPa以内，若选取屈服极限为500MPa以上的材料时，存在一定的强度储备。

4）在最危险的计算工况下（即计算工况三：侧向加速度为2.5g<稳态>、垂直加速度为4g<瞬时>），两种改进设计方案的应力峰值均小于500MPa，若选取屈服极限为500MPa以上的材料，支架强度也满足要求。

5）值得注意的是，拓扑优化分析得到的模型在计算工况一下应力峰值降低到233MPa，降幅为72.6%，同时减重6KG，减幅为22.7%。