摘要：本報告使用Altair公司提供的HyperMesh軟體以及OptiStruct的結構優化功能，對輪轂電機轉向節進行優化設計。本文重點介紹了在汽車極限左轉向工況下轉向節的約束載荷，以及結合製造工藝中最小成員尺寸約束進行拓撲優化，使其達到輕量化，且對於轉向節的優化設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：輪轂電機轉向節 拓撲優化 輕量化 變密度法

1、汽車輕量化設計背景介紹

在當今汽車工業中，減輕設計重量和縮短設計週期是兩個突出的問題。汽車輕量化設計開始佔據了汽車發展的主要地位，但是簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度。在此情況下，Altair公司的有限元分析技術以及優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對於一些結構複雜的汽車零件，HyperWorks的有限元分析技術、拓撲優化技術使得很多材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。

轉向節是汽車的重要安全零部件。該零件在原始設計中，由於整個機構的複雜性，只能作定性分析和類比估算。在確定實際結構時，往往選擇的安全係數過大，致使設計出來的產品結構過於笨重、粗大。另外，由於對實際的受力點未能完全把握，導致結構材料分佈不夠均勻，鑄造工藝性較差。

2、有限元模型建立及分析

轉向節與轉向系統其它零部件相連的同時，通過法蘭盤的制動器安裝孔進行定位。由於整車全工況有限元模型的計算量太龐大，導致計算時間過長，因此僅選取在極限左轉向工況下，轉向節模型與轉向系統零部件和輪轂電機相連線的六個節點作為輸入載荷點，單獨對轉向節模型進行優化。

2.1 CAD建模

通過CAD軟體進行轉向節的設計與建模，模型如圖2.1所示：

2.2 CAE建模

通過Altair公司hyperMesh軟體對CAD模型進行有限元分析。此處採用Tetramesh進行四面體網格劃分，其中與法蘭盤的制動器安裝的四個孔進行全自由度約束，其它孔徑作為載荷輸入點，所有孔壁均用RBE2進行剛性連線，有限元模型如圖2.2所示：

2.3材料屬性

計算中使用的材料引數如表2.2所示：

2.4邊界載荷條件

轉向節通過法蘭盤的制動器安裝的四個孔進行全自由度約束(圖中4個藍色約束)，其它孔徑為輸入點（圖中黃色箭頭為力和力矩的輸入）。通過Altair公司提供的MotionView軟體進行整車動力學模擬，可獲得在左轉向工況下轉向節響應的輸入載荷，載荷和約束施加如圖2.3所示：

圖2.3中，輸入載荷力與力矩以及作用點的具體引數如下表所示：

2.5轉向節結果分析

轉向節在上述工況下的分析結果如表2.4所示：

3、優化分析

OptiStruct結構優化主要分為拓撲優化、形貌優化和尺寸優化等。由於轉向節採用實體單元建模，其優化目的是在給定的設計空間找到最優的材料分佈，所以對其進行優化時將採用拓撲優化方法。

3.1確定優化流程設計

優化分析模型一般由目標函式、約束條件、優化設計變數三個方面組成，藉助HyperWorks裡的OptiStruct模組可以很方便的實現對轉向節的優化設計，施載入荷點在上述工況下的最大合位移作為約束條件，體積最小化作為目標函式，這樣利用拓撲優化可以獲得一個最佳的材料佈局，即最佳的材料分佈。然後在這個最優結構佈局的基礎上按照實際需求形成一個新的設計方案，並藉助CAD軟體，形成新的CAD模型，並按照上述同樣的工況條件對新設計方案進行有限元分析驗證。

3.2 拓撲優化分析

首先對轉向節非干涉和非裝配部位進行必要的材料填充，然後將有限元網路劃分為設計區域（藍色）和非設計區域（紅色），如圖3.2所示

Figure3.2 設計區域和非設計區域有限元模型

通過MotionView對整車模型不同工況進行模擬，模擬模擬出轉向節的各個孔徑可接受的最大合位移，如表3.1所示：

選取單元密度作為設計變數，增加最小成員尺寸約束，施載入荷點在工況下的最大合位移作為約束條件，體積最小化作為目標函式進行拓撲優化分析,如表3.2所示。並將拓撲優化中整個模型的最大應力控制在260MPa以下。

基於變密度法對汽車轉向節進行拓撲優化，單元密度結果如圖3.3所示：

根據拓撲優化的單元密度等值面圖指定的精度值，在該工況下可優化出新的設計方案，捨去圖3.3中藍色部分，可減輕50%以上品質，但是由於其相應拓撲關係，與其他零件的裝配關係以及生產工藝難易程度等綜合考慮，給予此工況下可進行的優化，如圖3.3所示，其中黑色區域為在不干涉其裝配且方便加工條件下的優化區域：

Figure3.4 拓撲優化

按照原始結構的工況條件對拓撲優化設計方案進行有限元分析驗證，其計算結果如表3.3以及圖3.5和圖3.6所示：

4 分析與結論

經過拓撲優化，最終得到了較為理想的設計方案，將對原始方案與優化設計方案相比較，可以清楚地看到優化方案重量較以前減輕了12.5%，雖然同種工況下原始方案的最大應力為114.1MPa，優化後的最大應力增大為151.1Mpa，位移由0.18mm增大到0.20mm，但是均遠低於設計要求的最大值。此次分析只是針對汽車在左轉向極限靜力工況下對轉向節進行的優化設計，在實際工程運用中，還需要綜合考慮其它載荷工況進行更全面的驗證和優化，這也是優化設計的關鍵點，此外在優化引數的設定上還應考慮拔模約束等工藝的約束條件，使得最終的優化設計方案更加具有可製造加工性。通過該分析例項，也說明拓撲優化設計具有實際的工程運用意義，當然這還需要後續試驗的驗證。