车身悬置支座拓扑优化研究

陈军，朱训德，李乐艳

(1.福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410129；2. 北京汽车株洲分公司,湖南株洲 412007)

车身悬置支座拓扑优化研究

陈军1，朱训德1，李乐艳2

(1.福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410129；2. 北京汽车株洲分公司,湖南株洲 412007)

应用拓扑优化设计方法对某型工程车的车身悬置支座进行优化设计，得到一款造型美观、材料最省、成本低、强度和刚度性能优的车身悬置支座。表明拓扑优化设计对于汽车零部件的轻量化设计意义重大，可以实现以最少的材料、最低的成本达到最优的结构性能的目的。

车身悬置；拓扑优化；轻量化

0 引言

随着计算机虚拟仿真技术和结构优化理论的发展，汽车零部件的设计优化也日益进步。将先进的计算机虚拟仿真技术引入到汽车零部件优化设计中将大大提高汽车零部件的材料利用率，实现使用最少的材料达到最优性能的目的。结构优化设计又可以分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。目前，尺寸优化的理论和应用已趋于成熟，形状优化的理论已经基本建立，正在着重解决实际应用方面的问题。结构的拓扑优化由于其理论和计算的复杂性而成为结构优化设计中最富挑战性的研究领域[1]。拓扑优化就是通过设计材料在结构内的合理分布，实现结构某种性能的最优。一方面拓扑优化大大减少了建模方面的工作量，另一方面它可以在改善或保持结构性能的基础上大大减轻结构的质量。近年来，随着汽车工业的快速发展、日益突出的能源问题和为了满足对汽车设计的新要求，对汽车零部件和机械结构开展拓扑优化设计具有重要的意义[2]。文中以某型工程车的车身悬置支座为研究对象，引入拓扑优化设计方法，利用先进的计算机虚拟仿真技术对它进行全新的拓扑优化设计。全新设计一款造型美观、材料最省、成本低的车身悬置支座，达到通过引入拓扑优化设计这一方法实现使用最少的材料实现最优性能的目的。此方法可以拓展和推广至汽车其他零部件的设计中去，对于汽车零部件的轻量化和降成本设计意义重大。

1 拓扑优化分析模型的建立

1.1 拓扑优化空间的建立

某型工程车原始车身悬置支座为一板焊件结构，如图1所示。根据此支座的结构和空间布置特点，进行拓扑优化空间的建立。考虑新开发支座将进行铸造，因此取消其上的L形板结构。建立的拓扑优化空间如图2所示。

图1 原始车身悬置支座图 图2 车身悬置支座拓扑优化有限元模型图

1.2 优化分析边界条件和材料属性

此工程车车身的质量约为1 t，车身后支座承受的垂向力约为2 500 N,制动时承受的切向制动力约为1 000 N。车身后支座将采用ZG270-500材料，其材料特性如表1所示。

表1 ZG270-500材料特性

1.3 优化参数与优化目标设定

将采用Optistruct软件进行拓扑优化的虚拟仿真计算，通过定义设计目标、约束条件等来实现最佳的材料布局，从而达到车身后支座应力降低、刚度提升、轻量化设计的目的。

设置的优化目标为支架刚度最大化，设置的约束条件为优化后所保留的体积与原来值的比不低于0.3，设置的优化区域为除了支座安装固定孔面和车身固定孔面以外的所有区域。

将其离散化后，并且施加约束和载荷边界后建立的有限元拓扑优化分析模型如图2所示，下端约束处为支座安装固定在车架上的安装孔，上端载荷加载处为车身固定安装处。

2 拓扑优化分析计算

建立分析模型后，对其进行优化迭代计算，大约经历40步迭代计算后得出最优的计算结果，其目标函数迭代流程曲线如图3所示。得出的拓扑空间计算结构如图4所示。

图3 目标函数迭代历程

图4 优化后材料密度分布云图(多视角示意图)

可见其大体呈一y形支撑结构，并且支座中间材料基本被去除，只留下侧面材料。

3 拓扑优化结构设计

根据上文的计算结果，根据支座的安装支撑功能等其他使用要求，对它进行了全面的结构优化设计，最终设计出的车身悬置支座铸件模型如图5所示。

图5 车身悬置支座拓扑优化模型图

4 性能评估

为了评估新设计车身支座的性能，从强度、刚度和质量成本等对它进行对比分析。对比结果如表2所示,可看出：经过拓扑优化设计出的支座不但结构美观，而且强度方面最高应力比原来要低97 MPa，刚度方面变形要比原来低0.09 mm，质量要比原来轻3 kg，降重达1倍以上，支座成本降低11元。优化结构强度与刚度性能如图6所示。

表2 拓扑优化结构性能对比评估表

图6 优化结构强度刚度性能云纹图

5 结论

使用先进的拓扑优化设计手段和计算机虚拟设计手段，以某型工程车车身悬置支座为研究对象，成功设计出一款结构美观、质量轻、强度刚度性能优、成本低的车身悬置支座。表明此种设计方法对于汽车零部件的轻量化设计意义重大，可以实现以最少的材料、最低的成本达到最优的结构性能的目的。

【1】冯桢，于涛，曾齐福．拓扑优化方法在产品设计中的应用探索[J]．机械设计与制造，2007(3)：138-139． FENG Z,YU T,ZENG Q F.Application and Attempt of Topology Optimization in Design[J].Machinery Design & Manufacture,2007(3)：138-139．

【2】刘庆，侯献军．基于HyperMesh/OptiStruct的汽车零部件结构拓扑优化设计[J]．装备制造技术，2008(10)：42-44． LIU Q,HOU X J.Structure Topology Optimization Design of Vehicle Parts Based on HyperMesh/OptiStruct[J].Equipment Manufacturing Technology,2008(10)：42-44．

Research on Topology Optimization Design of Vehicle Body Mount

CHEN Jun1, ZHU Xunde1,LI Leyan2

(1.Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410129,China； 2.Beijing Automobile Zhuzhou Branch,Zhuzhou Hunan 412007,China)

The topology optimization design method was used to optimize the design of the body mount support of a certain engineering vehicle. A mount support with attractive appearance,material saving, low cost, excellent strength and stiffness was gotten.It is shown that the topology optimization design is of great significance for the lightweight design of automotive parts,the goal that achieving the best structural performance with minimal material and lowest cost is realized.

Body mount;Topological optimization;Lightweight

2017-02-13

陈军(1983—),男，学士，研究方向为整车总布置设计、车架及相关零部件设计、产品管理、市场研究管理。E-mail:chenjun4@foton.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.009

U463.83+1

A

1674-1986(2017)06-033-03