基于optis的平板拖车轮毂拓扑优化设计

1、Altair 2015 技术大会集基于 OptiStruct 的平板拖车轮毂拓扑优化设计（合力、合肥。230601）摘要：本文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，拓扑优化后轮毂的刚度和强度都比原始设计的要好，重量也更轻。：轮毂 拓扑优化 拖车 有限元分析 OptiStructTopology optimization design of Trailer wheel hubbased on OptiStructChen Jie Zhang Yan(ANHUI HELI CO.

2、,Li Gecao.Hefei,230601)Abstract:This paper based on topology optimization theory and finite element method, using OptiStruct software to optimize the topology of a trailer wheel hub. After obtaining the optimum material distribution scheme, and redesigned the hub. The results showed that the topolog

3、y optimization hub stiffness and strength is better than the original design, and the weight is lighter too.Key words: hub, topology optimization, trailer, finite element analysis, OptiStruct1.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，以提高结构强度或减轻结构重量为目的的一种新兴结构设计方法，目前已广泛在国内外汽车企业和航空领域应用。在结构轻量化设计中，结构优化技术涵盖了从概念设计

4、阶段、基本设计阶段到详细设计阶段的全流程，在概念设计阶段起主要作用的拓扑优化技术得到了全面展示。现代工程机械行业也逐渐引入优化技术，对设计的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，运用有限元模拟的方法实现了对轮毂的多工况拓扑优化设计，并根据拓扑优化结果建立了新轮毂的三维模型，对此模型和原始模型做了静力学分析对比，验证了拓扑优化结果的可行性。2.工况确定综合考虑轮毂在实际中的使用情况和相关轮毂校核标准，现确定 4 种典型工况：试验台工况：车轮外端面上所有

5、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 160000N 载荷；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方向向下 160000N 载荷；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 80000N 载荷，水平向外 36000N 载荷。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 80000N 载荷，水平向内 36000N 载荷。3.轮毂拓扑优化模型建立根据轮毂的实际使用情况，将其轮辐部位全部填实，

6、得到拓扑优化有限元模型，如图一所示，其中黄域为轮辐拓扑优化搜索区域，设为设计空间；绿域用于支撑轴承的安Altair 2015 技术大会集装、半轴安装和轮胎安装的位置，设为非设计区域。设计空间图一 轮毂拓扑优化模型非设计空间3. 拓扑优化3.1 拓扑优化问题描述拓扑优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。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。优化设计的数学模型可以表述为：MinF(x)=(x1,x2,xn)FindX=(x1,x2,xn)TRS.tgi(X)= gi(x1,x

7、2,xn) 0 I=(1,2,m)hj(X)=hj(x1,x2,xn)=0 j=(1,2,n)式中 F(x)设计变量的目标函数； xn设计变量；gi(X)，hj(X)约束条件； m，n状态变量的个数。本文轮毂拓扑优化问题描述如下：目标函数为应变能最小；约束函数为体积百分比上线 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，可得到拓扑优化结果，标值表示优化后单元密度值，密度值越大的单元越重要，用红色表示，是设计需要保留的单元，相应区域是需要保留的区域，密度值较小的区域，用表示，则是优化后需要去除的区域，当轮毂拓扑优化

8、单元密度值取 0.1时的单元密度等值面图如图二所示。Altair 2015 技术大会集图二 拓扑优化后模型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，同时结合铸造工艺进行三维模型进行局部调整，最终确定轮毂三维模型如图三所示。图三 新设计轮毂三维模型4. 优化前后轮毂模型的性能对比对轮毂原始模型与优化后模型进行 4 种工况的静力学分析对比，以了解优化后结构的刚度与强度是否满足设计需求。4.1 强度对比同工况静力学分析对比云图如下：原始模型新模型Altair 2015 技术大会集工况一工况二工况三工况四Alta

9、ir 2015 技术大会集图四 四种工况应力云图由图四可以看出：在 4 种工况下优化后模型相对原始模型应力稍有增加，最大应力值为182MPa， 4 种工况的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，结合此类轮毂的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，刚度对比不另切图，只做图表对比，具体数值见下表一。改前方案与改后方案刚度对比表一从分析结果看，改进模型变形量相对原始模型稍有增加，但是总变形量都比较小最大变形量也才 0.392mm，结合类似轮毂的使用情况认为优化后的轮毂刚度满足设计需求，同时重量由原来的 249.2Kg 减轻到 16

10、4.8Kg，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在力学性能上比原始结构模型稍差，但是满足设计要求，并且比原始模型减重 33.9%，材料使用量进一步的减少，轮毂结构轻量化得以实现。不过在实际的工程运用中，还是需要在后续的整车路试试验中进行验证，以最终确定结构是否满足客户使用。由此可见在设计中，拓扑优化技术可以协助设计工创新有非常重要的指导意义。设计出更轻、更强、更新颖的，对6参考文献1等编著。基于HyperWorks 的结构优化设计技术M。北械工业，2007., 2005,谭惠丰,等. HyperMesh从入门到精通M .北京:科学2 于开平,3，叶洎沅。优化驱动的设计流程J。第三届中国 CAE 工程分析技术年会暨 2007计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会集，2007：447451,基于HyperWorks 的柴油机油底壳有