基于solidThinking Inspire的重型车平衡轴支座的优化设计

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摘要：利用Altair公司的solidThinking Inspire 优化工具，建立了某重型货车平衡轴支座的拓扑空间，之后定义了工况载荷和工艺约束。在此基础上，利用基于变密度法的拓扑优化技术对平衡轴支座进行了优化设计，在规定的体积内取得最佳的材料分布，使得刚度最大。根据solidThinking Inspire的优化结果进行了 CAD 模型重建，并对改进设计进行强度校核。结果表明，经过优化的平衡轴支座安全性能得到提高，质量减轻。

关键词：solidThinking 重卡平衡轴支座优化

一、引言

solidThinking 是一款为设计师所打造的计算机辅助工业设计/造型软件。solidThinking Inspire 应用 Altair OptiStruct 求解器，利用了工程上“拓扑优化”技术，模拟了自然界中生物生长的过程，最终获得材料最省的最佳承力结构。Inspire 拥有良好的设计概念视觉化效果。具有界面简洁、易学易用等优势，可以缩短设计周期，满足功能并减重，非常适合产品概念设计阶段提升结构性能并辅助减重。

平衡轴支座是重型车固定和安装平衡轴及纵向推力杆的部件，承受来自推力杆的纵向力和平衡轴的垂向力, 所以对其强度要求很高；近年来车辆轻量化的呼声愈来愈高，所以各类铸件支架等都要求在满足强度要求的情况下质量最小。

二、平衡轴支座的原始设计

2.1 初始设计空间

所谓设计空间就是优化前的初始结构，在优化过程中不改变非设计空间，通过优化计算，挖掉设计空间中的多余部分，所剩部分构成的形状被认为是结构优化的结果。设计空间一般选取优化对象所占据的最大可能区域，以充分挖掘优化潜力，同时要保证约束及载荷能够有效传递到结构上，以及结构的工艺性。鉴于支座与车架的安装连接关系，以及支座与纵向推力杆的安装关系，平衡轴支座的拓扑优化空间如图1所示，初始设计空间为绿色部分，非设计空间为紫色部分。

非设计空间有以下几个部分：

① 支座与车架的安装孔；

② 下面与纵向推力杆连接的两个纵向长孔和与其他附件连接的小孔；

③ 连接平衡轴的伸出端。

图 1 平衡轴支座拓扑优化空间

2.2 工况定义

平衡轴支座在车辆重载、制动和重载制动 3 种典型工况下，所处工况比较恶劣，所以文章重点关注这 3 种工况。对整车进行动力学分析或者试验测试，可以计算或者测试出平衡轴支座处的作用力和作用力矩，表 1 为 3 种工况下，作用在某重型货车平衡轴支座上的载荷，表 1 中的工况及载荷大小来源于整车厂对该型重卡平衡轴支座的试验测试。

表 1 平衡轴支座工况及载荷

2.3 载荷与约束

2.3.1 车辆重载

约束与车架连接的 20 个安装孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 个移动副，放开其绕 X，Y，Z 轴转动的 3 个转动副；平衡轴支座轴端施加 Z+向力 160000N，如图 2 所示。

图 2 平衡轴支座重载工况约束与载荷

2.3.2 制动工况

约束与车架连接的 20 个安装孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 个移动副，放开其绕 X，Y，Z 轴转动的 3 个转动副；平衡轴支座轴端施加 Z+向力 80000N，纵向推力杆连接的两个孔各施加 X+向的力为 45500N，如图 3 所示。

图 3 平衡轴支座制动工况约束与载荷

2.3.3 重载制动

约束与车架连接的 20 个安装孔的 X，Y，Z 平移方向的 3 个移动副，放开其绕 X，Y，Z 轴转动的 3 个转动副；平衡轴支座轴端施加 Z+向力 160000N，纵向推力杆连接的两个孔各施加 X+向的力为 45500N，如图 4 所示。

图 4 平衡轴支座重载制动工况约束与载荷

2.4 形状控制

零部件拓扑优化后结果满足工况要求，但是拓扑后的形状会增加工艺的难度，或者工艺无法完成，这样优化出来的零件也是毫无意义的。 Inspire 增加了形状控制模块，可以模拟现实中的加工工艺，使拓扑优化与加工工艺紧密联合起来，增加侧向自车架固定端向车架外侧的拔模方向，如图 5 所示平面。

图 5 拔模约束设置

平衡轴支座过轴端中心，在 X 方向左右对称，设置该部件在 YZ 平面两侧对称，如图 6 所示。

图 6 对称约束设置

2.5 优化设计

优化计算之前，首先定义其设计空间和非设计空间，由于各个安装孔是用来固定支架的，位置和形状基本不变，所以可优化的空间为整个初始设计空间除安装孔及定位板以外的部分，即图 1 绿色区域显示的部分，将其定义为设计空间，然后设置其优化目标，这里设置其目标为最大刚度，由于是概念设计阶段，所以材料采用系统默认的 AISI304，其他采用系统默认。根据之前的优化设置，在 ThinkStation C30 图形工作站运行 20 分钟后得到优化结果，优化后的概念创意设计，如图 7 所示。

根据优化结果，另存为*.stp 文件作为重建模型的参考，用于模型的重建。根据之前的概念雏形，结合平衡轴支座与车架及纵向推力杆及其他附件的连接关系，以及零件制造及工艺性的要求，获得最终结构创意设计如图 8 所示。

图 7 平衡轴支座优化结果

图 8 平衡轴支座创意设计结构

三、平衡轴支座的强度验证

3.1 有限元模型

文中采用 HyperMesh 对某重型货车平衡轴支座原结构进行四面体网格划分，网格全局尺寸选择 5 mm，最终有限元模型共有节点数为 97856，实体单元数为 367572。该支架材料为铸铁 QT500-7，弹性模量 E=147 GPa，泊松比为 0.3，密度为 7.8×10 kg/mm ，质量为 59.15kg kg，屈服强度≥320 MPa，抗拉强度≥500 MPa。

3.2 约束边界及工况载荷

平衡轴支座与车架直接连接，模型中添加刚性单元（rigid bar element）rbe2 来定义约束，添加刚性单元 rbe3 来定义载荷作用位置。该支座模型中共添加 20 处用于固定约束的 rbe2，分别位于支座上端与车架连接处；3 个用于载荷施加的 rbe3 单元，位于平衡轴支座轴端与下端与纵向推力杆连接处。与车架相连处约束 6 个自由度，在 rbe3 处分别施加垂向重载、制动、重载制动三个工况的载荷，有限元计算模型如图 9 所示。

图 9 平衡轴支座有限元计算模型

根据拓扑优化的平衡轴支座结构，利用大型有限元软件 HyperWorks 平台的 RADIOSS 求解器对平衡轴支座进行有限元强度分析，平衡轴支座新结构最大 von Mises 应力值计算结果如表 2 所示。

表 2 平衡轴支座各工况下最大应力及安全系数

计算结果表明，经过 solidThinking Inspire 优化设计后的平衡轴支座，各工况下强度都满足设计要求，最小安全系数为 1.15。该平衡轴支座在车辆可靠性试验过程中未出现断裂等问题，证明其设计满足性能需求。通过对平衡轴支座进行优化设计，证明了基于 solidThinking Inspire 的拓扑优化设计方法可以有效提高产品开发进度，合理布局零件的材料，达到了降低制造成本的目的。将最终的创意设计结构体现在实际工程中，与车辆的板簧及车架连接，如图 11 所示。