摘要：FSC赛车的悬架摇臂是悬架的重要零部件，在赛车行驶过程中承受着来自悬架拉杆，弹簧和横向稳定杆的力，受力情况复杂，所以其结构的设计尤为重要。本文利用OptiStruct软件对悬架摇臂进行拓扑优化分析，优化结构，使其在保证强度的情况下实现最佳的轻量化效果。
引言
作为由学生自主研发制作的一辆赛车，FSC赛车的轻量化是其重要的设计目标。但是FSC赛车相对于乘用车来说，研发周期较短，实验条件不足，所以合理运用CAE技术显得尤为重要。而Altair公司的OptiStruct软件以其强大的结构优化能力能够帮助我们合理改进零部件的结构，优化零部件的载荷传递路径，在保证强度和刚度的前提下达到轻量化的设计目标。本文运用OptiStruct的拓扑优化功能，对悬架系统的重要零部件——摇臂进行拓扑优化，优化结构。
1 有限元模型建立
导入几何模型如图一所示：下面左侧孔通过滚针轴承与车架吊耳相连。另外三个孔分别与螺旋弹簧，横向稳定杆和悬架拉杆相连。
运用HyperMesh进行模型的前处理，为了方便进行结构优化，在网格划分的时候将模型分为设计区和非设计区。同时将模型进行处理，使其便于进行映射网格划分，使得绝大部分的网格为结构化网格，部分网格为棱柱单元，设定单元尺寸为1.5mm。划分得到的最终模型如图二所示：其中蓝色部分为非设计区，红色部分为设计区。最终得到的网格数量为6569，节点数量为10543。
图1 摇臂几何模型 图2 有限元模型
摇臂材料为40Cr，弹性模量为2.11e5MPa，泊松比为0.277，在HyperMesh中定义相应的材料属性。
计算赛车在极限工况下摇臂的受力情况，我们根据实际情况，对摇臂时间弹簧机横向稳定杆的力，通过rbe3柔性连接单元施加到相应的孔上。并施加相应的边界条件，最终的边界条件和载荷如图所示：
表1 摇臂载荷 图3 边界条件及载荷
2 静力学分析
摇臂进行材料属性，单元属性，边界条件和载荷步的设置之后运用RADIOSS进行静力学分析。得到如下结果：
 
图4 变形云图 图5 应力云图
由应力云图可知，最大变形量为0.0754mm，大应力为103.9MPa，40Cr的屈服强度为785MPa，零件存在强度过剩现象，不利于轻量化。接下来我们将对零件进行拓扑优化。
3 拓扑优化
3.1定义拓扑优化的设计变量
定义设计区的“单元密度”为设计变量。考虑到摇臂是采用上下两片线切割，最后再与轴承座焊接在一起，所以可以定义拔模方向为y方向，同时考虑到工艺学，定义最小成员尺寸为5mm。同时取安全系数为2。则最大应力不能超过392.5MPa。设置应力约束为392.5MPa。
3.2定义目标函数和约束条件
零件的刚度不能太小，否则会影响悬架的刚度特性。考虑到如果设置某一节点的位移为约束条件，则其他节点处的位移会过大，而且在计算前，发生最大位移的可能节点未知。所以我们设置静态柔度为响应变量而非位移。
创建体积分数的响应volumefrac和静态柔度的响应compliance。设置体积分数为约束条件并设置其上限为0.6，即减重40%。设置静态柔度为目标函数，优化目标为静态柔度最小即刚度最大。设置完成之后进行拓扑优化。通过39次迭代之后，得到零件各部分的单元密度如图6 所示：
图6 单元密度
计算完成之后运用OSSmooth导出优化之后的模型，在CAD软件中在根据实际加工情况进行修改模型，得到如下图所示的模型：
图7 优化后模型
对优化后模型进行静力学分析，得到如下结果：
图8 优化后变形
图9优化后应力
可知，优化后的最大变形为0.221mm，最大应力为249MPa。虽然最大变形和应力都有所增大，但是在允许范围内。整个零件的质量由原来的180g减到114g，减重比大36.7%。基本达到了预期目标，存在误差是因为重新设计的模型与拓扑优化得到的最初模型存在误差。
4 结论
运用OptiStruct拓扑优化模块，我们在保证摇臂的强度和刚度的情况下，在优化过程中充分考虑了零部件的工艺性，实现了摇臂的轻量化，最终减重比大36.7%。后期的实车测试也充分验证了零部件的可靠性，也从侧面说明了AltairOptiStruct软件强大的结构优化功能以及对于FSC赛车设计的重要意义。
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