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基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计

发布者:admin   发布时间: 2017-08-03 浏览次数:

 (1上汽商用车有限公司技术中心上海 200438   2上汽依维柯红岩商用车有限公司零部件事业部重庆 400900)

 
摘 要:本文介绍使用OptiStruct软件,对上汽依维柯红岩商用车有限公司大扭矩单级减速驱动桥脂润滑轮毂改油润滑轮毂设计方案进行有限元拓扑优化分析,依据拓扑优化结果在CATIA软件环境重构轮毂3D模型,并进行优化前后轮毂在三种典型工况下的对比分析,确定了拓扑优化方案的可行性。整个优化设计过程中实现了对产品安全性不妥协情况下的减重,拓扑优化后比优化前减重1.5kg,最终比原脂润滑轮毂减重3.6kg,且轮毂应力分布更趋于均匀,材料利用率更高,外观新颖。因此,在产品设计阶段灵活运用OptiStruct软件提供的拓扑结构优化技术在追求轻量化设计和自主创新的今天具有非常重要的意义。
 
关键词:OptiStruct  轮毂  拓扑优化  有限元分析
 
Abstract:This paper describes the use of OptiStruct for topology optimization of oil lubricated, high torque, single-stage reduction drive axle of SAIC-Iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd. Based on the topology optimization results, a hub CAB model was rebuilt in CATIA, and the new design was analyzed under three load-cases to confirm the viability of the design. The weight was reduced by 1.5kg compared to the original grease lubricated design 3.6kg, while the safety was not compromised. The distribution of stress became more uniform. The material utilization and appearance is improved. There is an important significance to use OptiStruct for topology optimization in product weight reduction.Key words:OptiStruct,wheel hub,topology optimization,finite element analysis
 
1概述
 
      拓扑优化技术是结构优化技术中有前景,具有创新性的技术,是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布和传力路径,从而在满足各种性能的条件下得到性能最优的设计。
       产品结构的拓扑构形选择恰当与否,决定了产品设计的主要性能,所以在复杂结构的选型和轻量化设计中,拓扑优化是其它结构优化如形状和尺寸优化的基础,是产品正向设计和功能设计的关键技术之一。因此,结构拓扑优化技术已被广泛应用于建筑、机械、航空航天、汽车、海洋工程及船舶制造等领域。
      在现代汽车工业中,在安全性不妥协的情况下对产品减重和缩短开发周期是两个突出的问题。汽车轻量化设计开始占据了汽车发展的主要地位,它既可以提高车辆的动力性、降低成本,又能降低能源消耗、减少污染。然而,简单的汽车轻量化设计却是一把双刃剑,它在减轻汽车重量的同时,也牺牲了车辆的强度和刚度,甚至对产品的使用寿命也会产生影响。在此情况下,经过近几年的实践证明,Altair公司的有限元分析技术以及优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用,尤其是对于一些结构复杂的汽车零部件,OptiStruct软件的拓扑优化技术和形状优化技术使产品材料的潜能和铸造的优势得到了充分的发挥。
       据相关资料显示,阿文美驰客车桥与国内某车桥的轮毂相比每个轻5公斤, 每年可节约油费370元。本文以上汽依维柯红岩商用车有限公司大扭矩单级减速驱动桥新设计的油润滑轮毂为例,采用有限元模拟的方法对轮毂进行拓扑优化设计,并依据最终的拓扑优化结果建立了新轮毂3D几何模型和有限元分析模型,对此模型进行了静态力学分析,验证了拓扑优化结果的准确性和可靠性。
 
2轮毂拓扑优化有限元分析
 
      该轮毂为QT450-10材料铸件,密度为7.06 ×10-9t/mm3,取杨氏弹性模量为169000MPa,泊松比为0.257,产生0.2%塑性应变时的条件屈服强度为310MPa,抗拉强度为450MPa。进行强度校核时采用材料的条件屈服强度计算安全系数。
      本文采用HyperWorks11.0的OptiStruct模块进行轮毂的拓扑优化设计,轮毂的有限元分析模型用专业的有限元分析前处理软件HyperMesh来生成高质量的网格,然后进行边界条件和相关参数的设置并进行求解。依据多次迭代求解出的拓扑结果,通过CAD软件CATIA重新构建几何模型,再次通过HyperWorks仿真平台进行有限元分析计算,与拓扑前结构进行对比,确定拓扑结果的可行性。
 
2.1有限元分析模型的建立
 
      通过对轮毂3D模型(图2-1)简化处理后,导入HyperMesh 进行网格划分,共386917个tetra4单元,87786个节点。根据轮毂的运行状况设定三个受力分析工况分别是垂直静弯工况,紧急制动工况和侧向力工况。添加载荷和约束后的有限元分析模型如图2-2所示:
                     

             


                                图2-1 轮毂3D模型                    图2-2 轮毂有限元分析模型
2.2 拓扑优化模型的建立
 
      轮毂拓扑优化模型如图2-3所示:其中蓝色网格区域为非设计空间用于支撑轴承的安装,传动半轴安装及轮辋装配,红色网格区域为设计空间,进行适当的拓扑优化减重。
                  

                                                图2-3 轮毂拓扑优化分析模型
轮毂拓扑优化问题描述如下:
 目标函数:加权应变能最小化;
 约束函数:体积分数上限30%;
 设计变量:红色网格区域的单元密度;
 制造约束:最小成员尺寸12mm,周向10等分循环对称;
拓轮毂拓扑优化问题描述如下:
 目标函数:加权应变能最小化;
 约束函数:体积分数上限30%;
 设计变量:红色网格区域的单元密度;
 制造约束:最小成员尺寸12mm,周向10等分循环对称;
2.3 拓扑优化分析结果及模型重构
      经过OptiStruct求解器35轮的迭代求解,目标函数加权应变能到达最小化并且优化收敛,目标函数加权应变能的迭代历程如图2-4所示:
                    

                                               图2-4 目标函数加权应变能迭代历程
     考虑到轮毂的铸造、机加工及装配等因素,轮毂拓扑优化单元密度取0.1时的单元密度等值面图如图2-5所示:
                        

                                                      图2-5 轮毂拓扑优化结果
      根据轮毂的拓扑优化结果,通过OSSmooth工具导出单元密度阀值取0.1的CAD模型,通过CATIA软件重新构建轮毂3D模型如图2-6所示:
                 


                                                            图2-5 拓扑优化后重构轮毂3D模型
3优化前后轮毂有限元分析
 
      优化前轮毂划分网格共386917个tetra10单元,608592个节点;优化后轮毂划分网格共359088个tetra10单元,567127个节点。根据轮毂的运行状况设定三个受力分析工况分别是垂直静弯工况,紧急制动工况和侧向力工况。
      垂直静弯工况:在轮毂内外轴承安装孔位置约束,轮距与地面接触位置通过RBE3单元施加159250N垂向力均布载荷于车轮螺栓孔处,安装半轴螺孔处及其安装面通过RBE3单元施加扭矩20500N·m;紧急制动工况:在轮毂内外轴承安装孔位置约束,轮距与地面接触位置通过RBE3单元施加63700N垂向力和47775N纵向力均布载荷于车轮螺栓孔处,安装半轴螺孔处及其安装面通过RBE3单元施加扭矩20500N·m;侧向力工况:在轮毂内外轴承安装孔位置约束,轮距与地面接触位置通过RBE3单元施加63700N垂向力和44590N侧向力均布载荷于车轮螺栓孔处,安装半轴螺孔处及其安装面通过RBE3单元施加扭矩20500N·m;
 
3.1 刚度对比分析
 
      优化前后轮毂刚度的对比分析分别如图3-1,图3-2及图3-3所示:
                   

                                                       图3-1 垂直静弯工况位移云图
                     

                                                        图3-2紧急制动工况位移云图
 
                      

 

                                                         图3-3侧向力工况位移云图
       通过以上三种工况的位移云图分析可以得知优化后相对于优化前刚度分别下降11.9%,15.2%和16.9%,但是其最大变形仅为0.184mm且均为车轮螺栓孔边缘,结合实际使用情况认为优化后轮毂的刚度在其数值上虽有所下降,但总体变形量极小,可以满足使用要求。
 
3.2 强度对比分析
 
       优化前后轮毂强度的对比分析分别如图3-4,图3-5及图3-6所示:         
                        

 

                                                图3-4 垂直静弯工况vonMises应力云图
 
                         

 

 

                                                图3-5 紧急制动工况vonMises应力云图
                         

 

                                                    图3-6 侧向力工况vonMises应力云图
 
       通过以上三种工况的vonMises应力云图分析可以得知优化后相对于优化前强度分别提高2.7%,0.4%和降低2.3%,高应力出现在侧向力工况其最大值为189.2MPa,因此三种工况的安全系数均>1.6,并且优化前后轮毂的应力分布区域一致,大小相当,且优化后应力分布更趋于均匀,结合轮毂类产品实际使用情况认为优化后轮毂的强度可以满足设计要求。
 
4 结论
 
       本文通过有限元分析和拓扑结构优化分析相结合的方法对商用车轮毂进行了拓扑结构优化,拓扑优化分析后重构的新模型在力学性能上和拓扑优化前相当,可满足设计使用要求,并且比拓扑优化设计前重量减轻1.5kg,比原脂润滑轮毂总体重量减轻3.6kg,材料性能得到进一步的有效利用,轮毂的结构轻量化设计得以实现,真正意义上的实现了在安全性不妥协的情况下对产品减重并缩短开发周期,最终得到了较为理想的设计方案。原脂润滑轮毂结构与新设计油润滑轮毂及拓扑优化后最终轮毂3D数模比较如图4-1所示:
                

 

                                                      图4-1 轮毂设计过程3D数模比较
 
       经过拓扑优化设计后的轮毂样桥装配验证如图4-2所示:
             

 

                                                        图4-2 拓扑优化设计轮毂装配
 
       通过该分析实例,说明拓扑优化设计具有实际工程运用意义,当然这还需要后续的整车路试试验进行验证。同时此次分析只是针对汽车在典型的三种静力工况下对轮毂进行了优化设计,在实际工程运用中,还需综合考虑其它载荷工况来进行更全面的分析验证和优化,这也是优化设计的关键点。通过有限元分析可以仿真在不同工况下轮毂的应力分布,提高产品设计质量,当然最终还是以样件整车路试为准,但是在产品开发过程中设计质量得到了提高,有效缩短开发周期。
      由此可见,在产品设计阶段灵活运用OptiStruct软件提供的拓扑结构优化技术在追求轻量化设计和自主创新的今天具有非常重要的意义。
 
5 参考文献
 
[1] Altair Engineering Inc. HyperWorks User's Guide,2011.
[2] 刘惟信编《汽车车桥设计》清华大学出版社,2004.
 
 
 

 

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