摘要：利用 solidThinking Inspire 軟件，對產品進行初期的概念設計，可有效減少整個設計流程的周期。本文介紹了該軟件在推桿式懸架搖臂設計中的應用，通過拓撲優化原理，在保證一定強度的情況下，對其進行輕量化的優化設計。最后分析表明，其設計的減重效果明顯，且具有較高剛度的結構。 

     關鍵詞：solidThinking Inspire 概念設計 輕量化 搖臂

     1 引言  

     在設計初期若能充分考慮結構的受力情況，并進行能滿足一定剛度或強度的結構設計， 這一方面將能減少在 CAD 設計和 CAE 分析之間反復進行的設計周期，另一方面也能在初期獲得最佳的拓撲結構[1]。Altair 公司的 solidThinking Inspire 軟件正是應用于初期的概念設 計，并利用 OptiStruct 求解器，以方便簡易的操作方法受到廣大設計師的認同。 

     本文以設計一輛中國大學生方程式賽車為例，運用 solidThinking Inspire 軟件對其推桿 式懸架的搖臂（也有稱之為搖桿或換向器的，本文為不引起誤解，統一稱搖臂）進行初期概 念設計，目的是獲得最優的輕量化方案和良好的強度。搖臂有部分質量屬于簧下質量，減輕簧下質量有利于改善賽車的動態響應，增加輪胎的接地性指數[2]，提高操縱穩定性，同時對于降低整車質量有一定的貢獻，有利于提高賽車的加速性能。

     2 搖臂簡介與初步模型建立  

     推桿式懸架一般用在賽車上，在一些超級跑車上也有應用到，其中的零件搖臂是一個改變機構受力方向的構件，將車輪上收到的垂直力通過推桿傳遞給減震器和彈簧，箭頭為受力 傳遞路線。  

                                                                            圖 1 搖臂的機構原理

     搖臂主要有四個安裝孔，分別為與車架、減震器、推桿、橫向穩定桿的鉸接孔，而其鉸 接孔和彈簧及推桿的角度決定了懸架的傳遞比，在已定的傳遞比情況下可確定其安裝孔的幾何關系，如圖 2 所示。  

                                                                            圖 2 安裝孔幾何關系 

                                                                            圖 3 搖臂初始模型與受力圖

     圖 3 為搖臂初始的模型，開始在四個鉸接孔連線之間填充滿材料，減少形狀上的限制， 這樣可給予軟件充分的優化空間，得到更佳的拓撲結構。同時其基本受力點和方向也在圖中 標示，在搖臂的轉動中會影響其受力方向，而搖臂轉動角度并不大，這里以其靜止時的角度 進行分析，對結果影響不大。

     3 工況分析  

     根據搖臂的受力特性，這里將賽車分為四類行駛工況，對其進行相應的受力分析，并設 減震器對搖臂的反力為 F1，推桿的反力為 F2，橫向穩定桿反力為 P 。  

     （1）賽車在靜止狀態或勻速直線行駛，根據整車重量和搖臂的杠桿比可求的減震器反 力 F1=766N ， F2=755N 。  

     （2）在減速或者加速工況下，車子前后軸荷會發生轉移，從而對搖臂的受力產生變化， 由于兩種情況產生的影響類似，這里只對制動時進行分析，并設制動強度 Z=0.8。根據相關條件和公式[3]求的 F1=1057N ， F2=1042N 。  

     （3）在轉彎工況下，左右輪的載荷也會發生轉移[3]，同時橫向穩定桿起作用了，進而 影響搖臂的受力。本設計擬定左轉彎時對搖臂的受力進行分析，其中選定側向加速度為 1.2g，橫向穩定桿兩端的位移為 62mm，最后得出 F1=1451N ，F2=1430N ，P=2177N [4]。 

     （4）在轉彎和減速的聯合工況下，在這兩種情況下搖臂所受到的力將更加大，由于力 的可疊加性，可在前面已分析的基礎上，疊加上各部分力即可。由于在制動和左轉向時右前 輪所受到的力最大，則這里只分析右前輪。得出 F1=1755N ，F2=1730N ，P=2177N

     4 搖臂的優化設計  

     4.1 設置約束和載荷  

     在開始的初步建模中注意要給施加約束和載荷的安裝孔建立獨立的 part 部分，以區分后面定義的設計空間。如圖 4 所示，在車架鉸接孔處施加可轉動的約束，在模擬搖臂在力的 作用下運動到極限位置時的平衡狀態，這里給推桿鉸接孔施加固定約束，同時這樣才能給予模型充分約束。

                                                                            圖 4 約束與載荷  

     根據對搖臂工況的分析，可分別加給搖臂施加減震器的反力和橫向穩定桿的反力。  

     4.2 定義設計空間及模型材料  

     給模型定義設計空間的目的是指定模型需要優化的部位，在其中進行拓撲優化，去除材 料，同時給予施加約束和載荷的部分定義為非設計空間。如圖 5 所示，紫色部分定義為設計空間。模型所使用的材料為中碳鋼，所以可在模型的屬性編輯欄上定義其材料為中碳鋼。

                                                                            圖 5 設計空間

     4.3 優化運算與設計  

     在定義好約束、載荷以及設計空間之后，可對模型進行優化的求解運算，定義模型的優 化目標為減重 20%，分別對四種工況進行運算，得到的優化結果是前三種去除的材料較多， 而第四種聯合工況則更具有代表性，其大致能包括前三種的結果中所包含的材料，因此主要 對第四種工況進行優化結構設計，如下圖 6 和圖 7 所示。

                                                                            圖 6 優化結果 

                                                                             圖 7 最終設計結構

     在優化結果中雖然車架鉸接孔和橫向穩定桿鉸接孔沒有材料相連，但為了結構的平衡性 能，最終結果在他們之間增加了弧形的連接桿。

     5 分析與結論  

      通過建模軟件獲取模型的質量，得到優化前模型的質量為 0.625kg，優化后的最終結果為 0.113kg，也即是通過 solidThinking Inspire 進行初期的概念設計，可以直接對開始時初略的搖臂模型減重 85%以上，這樣的設計方法可大大地加速和方便了設計者初期的結構設計。雖然搖臂的質量并不大，但是賽車需要的是對每個零件進行盡可能的減重，這樣才能充分發揮輕量化設計的作用，而 solidThinking Inspire 不僅可以在本文例子中應用，更是可以 應用到更多的工程領域中并發揮重要作用。

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