基于OptiStruct的平板拖车轮毂拓扑优化设计

 葛立银，张  岩，李戈操

 （安徽合力股份有限公司，安徽  合肥  230601）

摘要：基于拓扑优化理论和有限元方法，采用OptiStruct优化软件对某型平板拖车轮毂进行了拓扑优化。得出最优材料分布方案后，对轮毂进行结构重新设计。结果表明：拓扑优花后轮毂的刚度和强度都比原始设计的要好，重量也更轻。

关键词：轮毂；拓扑优化；拖车；有限元分析；OptiStruct中图分类号：TP3 91.7

0引言

 拓扑优化技术是指在给定的设计空间内找到最佳材料分布和传力路径，以减轻结构重量为目的的一种新兴结构设计方法，目前已广泛应用在航空领域和汽车行业。

 现代工程机械领域也逐渐引入此优化技术，对设计的产品进行减重轻量化设计，在满足刚度、强度的同时减轻零件的重量。据相关资料显示，美驰客车桥的轮毂比国内某车桥轮毂轻5kg，每年可节约油费370元。本文基于OptiStruct优化技术，运用Hypermesh软件实现了轮毂的多工况拓扑优化设计，并根据拓扑优化结果建立了轮毂的新三维模型，对此模型和原始模型做了静力学分析对比，验证了拓扑优化的可行性。

1仿真工况确定

 综合考虑轮毂的行业试验标准和轮毂在实际中的使用情况，确定了4种典型工况：①试验台工况：车轮外端面上所有节点约束x、y和z三个方向的平移自由度，在轮毂轴处加载竖直向下160 000 N载荷；②路面工况：对车轮与地面接触面区域内的节点约束x、y和z三个方向的平移自由度，在轮毂轴处加载竖直向下160 000 N载荷；③向外侧滑工况：对车轮与地面接触面区域内的节点约束x、y和z三个方向的平移自由度，加载竖直向下80 000 N载荷、水平向外36 000 N载荷；④向内侧滑工况：对车轮与地面接触面区域内的节点约束x、y和z三个方向的平移自由度，加载竖直向下80 000 N载荷、水平向内36 000 N载荷。

2轮毂拓扑优化模型建立

 本次拓扑优化的主要目的是为了找到最优的轮毂材料分布方案，故将其中间部位全部填实，得到拓扑优化有限元模型。其中图1(a)为轮毂拓扑优化搜索区域，即允许材料分布变化，设为设计空间；而用于支撑轴承的安装、半轴安装和轮胎安装的位置设为非设计区域，该区域材料不做优化，具体位置如图1(b)所示。

3拓扑优化

3.1  拓扑优化基本原理

 拓扑优化问题的基本原理是：首先建立优化模型，再运用单元密度优化方法进行迭代计算，在满足设计要求的条件下，求得目标函数的极限值，最终得出最优的设计方案。其中目标函数和设计变量通常为体积百分比、应变能、模态、质量和变形量等，目标函数和设计变量之间可以相互转换，而不影响最终优化结果。

 本文轮毂拓扑优化问题描述如下：目标函数为加权应变能最小；约束函数为体积小于设计空间体积的35%;设计变量为拓扑优化模型中的换色网格的单元密度；制造约束为轴向等分对称循环。

3.2拓扑优化计算结果

 模型经过多次迭代后，得到最终的拓扑优化结果，其中标值表示优化后单元密度值，密度值越大的单元越是重要，需要保留，相应区域是设计需要保留的位置；而密度值较小的区域，则是设计需要优化去除的区域。当轮毂拓扑优化单元密度值取0.1时的单元密度等值面图如图2所示。

3.3  三维模型建立

 根据轮毂的拓扑优化结果，通过OSSmooth工具导出单元密度阀值为0.1的三维模型，根据导出的三维模型，同时结合铸造工艺和实际装配情况对轮毂进行重新设计，新设计轮毂三维模型如图3所示。

4优化前后轮毂模型的性能对比

 对轮毂原始模型和优化后模型进行同工况的静力学分析对比，以明确优化后结构的强度与刚度是否满足设计需求，如果新模型不满足要求，后续需对新模型进行形状优化和自由形状优化等，直至优化出满足设计要求的轮毂。

4.1  强度对比

 各工况优化前、后轮毂强度分析对比如图4～图7所示。

 通过4种工况分析对比可以看出：新模型相对原始模型应力稍有增加，最大应力值为182 M Pa。其中轮毂材料材质为QT450，屈服强度为320 M Pa，抗拉强度为450 M Pa。在4种工况下结构的强度安全系数均大于设计要求的2倍的安全系数，且优化后的轮毂应力分布更加均匀和合理。结合此类轮毂的实际使用情况认为：优化后的轮毂满足设计需求。

4.2  刚度与重量对比

 限于篇幅，刚度对比不在另行切图，只做表格数值对比，具体见表1。

 从分析结果看，改进后的轮毂变形量相对原始轮毂稍有增加，但是总变形量都比较小，最大变形量为0. 392 mm，结合工程经验认为优化后的轮毂刚度满足设计需求，同时重量由原来的249.2 kg减轻到164.8 kg．减重了33. 9%，减重明显。

5  结论

 本文在满足轮毂试验标准和实际使用工况的情况下，运用OptiStruct优化技术对该结构进行了多工况的拓扑优化设计，拓扑优化后重新设计的新模型的应力和变形均比原模型稍大，但能满足设计要求。新模型比原模型减重33. 9%，减重明显，节约了制造成本和客户使用成本。不过尚需要在后续的整车道路试验中进行进一步的验证，以最终确定结构是否满足客户

的使用要求。