CAE于前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化中的应用
1、前言
法兰盘轮毂主要承载汽车的重力以及为轮胎的传动提供精确的引导，是关键安全部件之一，在设计时一定要确保其结构的强度、刚度等基本性能指标。如果保守设计，则增加开发及生产成本，不利于提升产品竞争力；如果设计单薄，往往造成强度、刚度性能不足，可能造成其断裂，严重影响车辆的安全性。
如何寻求最佳的成本与性能之间的平衡是阻碍许多企业快速成长的困惑之一。由于生产成本的压力，很多企业已经意识到轻量化开发的重要性，在确保性能的前提下材料的减重以及材料替换等。产品轻量化设计仅依靠多年的设计经验是不够的，更多的还需要性能数据作为技术支撑。Altair公司HyperWorks产品的OptiStruct模块为我们提供了这种非常便捷的解决途径和技术体系。
OptiStruct模块是以面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，提供了多种强大的优化功能。其中，拓扑优化(Topology)是产品轻量化设计中最常用的优化方法之一，它是一种在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题的设计方法。本文利用OptiStruct对某法兰盘轮毂进行拓扑优化设计，在保证强度、刚度性能的前提下，通过定义设计目标、约束条件等来实现最佳的材料布局。根据优化分析结果重新构建一种新型优化方案，并以此验证分析，最终通过对法兰盘轮毂优化前后性能对比，达成拓扑优化效果，实现了法兰盘轮毂轻量化设计、衍生一项实用新型专利、提升产品竞争力等目的。
2、原法兰盘轮毂结构有限元分析
根据三维模型对法兰盘轮毂结构进行有限元建模，如图1所示。
（1）轮胎、轮毂及前轴总成模型B）法兰盘轮毂模型（25.6Kg）
图1轮辋结构有限元模型
法兰盘轮辋结构以5mm网格划分四面体实体单元，各部件之间已考虑非线性接触和螺栓预紧力；在前轴中心处施加对称约束，考虑轮胎与地面接触；载荷条件图2及表1所示。轮毂所采用的材料为QT450-10，其力学性能参数如表2所示。
图2轮毂受载条件示意图
表1法兰盘轮毂受载条件
表2QT450-10材料力学性能参数
根据上述定义，原结构法兰盘轮毂结构方案分析结果，如表3、图3、图4所示。
表3原法兰盘轮毂结构分析结果
（2）VonMises应力分布云图B）拉应力分布云图
图3在空凹冲击工况下，原法兰盘轮毂结构应力分布云图（图中单位MPa）
（3）VonMises应力分布云图B）拉应力分布云图
图4在侧滑工况下，原法兰盘轮毂结构应力分布云图（图中单位MPa）
从分析结果来看，a、原法兰盘轮毂结构在空凹冲击、侧滑工况下的应力水平及应力分布基本一致；b、原法兰盘轮毂结构的最高VonMises应力值均为323MPa，均位于外部加强筋，其应力水平略高于材料的屈服强度（≥310MPa）；c、原法兰盘轮毂结构的最高拉应力值分别为274MPa、276MPa，均位于内部加强筋，其应力水平远低于材料的抗拉强度（≥450MPa）；d、原法兰盘轮毂结构应力分布不均。
3、法兰盘轮毂结构拓扑优化及分析
本次拓扑优化设置参数如下：设计目标：加权挠度最小，即该法兰盘轮毂结构刚度最大。约束条件：体积分数的上限值为0.35，即控制优化后所保留的体积，以实现质量减少。
优化前，首先对轮毂进行空间填充，如图5所示，概念模型中，黄色部分为优化设计空间，蓝色部分为非优化设计空间。
图5法兰盘轮毂填充模型
通过62步迭代后，拓扑优化结果如图5所示。
图6拓扑优化概念设计模型
由拓扑优化改进设计模型生成精细化设计模型，如图7所示。
图7最终优化设计模型
表4拓扑优化方案结构分析结果
（1）VonMises应力分布云图B）拉应力分布云图
图8法兰盘轮毂优化结构应力分布云图（图中单位MPa）
从以上图表可以看出：优化后，法兰盘轮毂结构应力分布均匀，其最高VonMises应力值及最高拉应力分别为229MPa、233MPa，比原法兰盘轮毂结构强度性能提升29%，改进效果非常显著，且刚度性能提升6.5%，确保了性能设计要求。另外，优化后法兰盘轮毂质量17.2Kg，比原法兰盘轮毂结构（质量25.6Kg）降重8.4Kg，降重率为33%；
目前，该优化方案已广泛应用于市场，根据笔者所在单位2012年使用该法兰盘轮毂的整车销量（约5万辆）以及QT450-10的当前市场价（约8元/Kg）推算，采用优化法兰盘轮毂后能实现经济效益高达672万元。因此，采用基于OptiStruct的拓扑优化方法对法兰盘轮毂结构轻量化设计具有十分重要的意义。
4、总结
表5法兰盘轮毂优化前后分析结果对比
本文通过使用OptiStruct完成了对法兰盘轮毂结构的拓扑优化设计，在保证刚度性能的前提下，强度性能提升29%且减重8.4Kg（减重率33%），优化效果相当明显，且取得了非常可观的经济效益。本文的主旨在于抛砖引玉，以一个法兰盘轮毂的优化为引子，来说明基于OptiStruct对产品轻量化设计的指导意义，为企业快速成长、提升产品竞争力提供参考依据。
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