張巖 李戈操 （安徽合力股份有限公司、合肥。230601）

摘要：本文基于拓撲優化方法，運用 OptiStruct 求解器對某前移式叉車連接盤進行了優化設計。得出最優材料分布方案后，對連接盤進行了重新設計和強度校核。分析結果表明優化后連接盤強度比原始設計的要好，而且重量也更輕。

拓撲優化又稱材料分布優化，是一種根據載荷、約束及優化目標尋求材料最佳布置的優化方法，目前已廣泛在國內外航空領域和汽車企業成功應用[1]。近些年國內工程機械行業也 開始引入相應的優化技術，對設計的產品進行輕量化設計，在滿足剛度強度的同時減輕零件的重量。與尺寸優化和形狀優化相比，拓撲優化設計獲得的材料布置方案對設計人員有更大 的幫助，拓撲優化研究有廣闊的應用前景[2]。

1連接盤拓撲優化過程

1.1 仿真工況 

連接盤在實際使用中承受驅動輪的驅動力作用，把驅動力作用到車架上，驅動叉車行駛，此種工況使用頻次較高。另根據《GBT23929-2009 三輪汽車和低速貨車驅動橋》這個標準，驅動橋機構需通過 30w 次兩倍橋負荷的臺架試驗，才能滿足產品壽命需求。綜合考慮以上情況，故確定兩種典型工況：1. 牽引力工況，在連接盤與驅動輪安裝面加載水平向前的牽引力載荷，連接盤與車架連接處約束水平方向自由度，連接盤與輔助輪安裝處約束上下、左 右和前后方向自由度，釋放前后方向轉動自由度；2.2 倍橋負荷工況，在車架與連接盤連接 處加載 2 倍橋負荷，在驅動輪與連接盤安裝面處約束豎直方向自由度，在連接盤與輔助輪安 裝處約束豎直向上自由度。

1.2 有限元模型建立 

應用 Inspire 軟件平臺建立連接盤的有限元模型，為簡化模型去除較小的孔、圓角和倒 角等；由于連接盤為鑄造件，結構較復雜，無法劃分出規整的六面體網格，故采用四面體二階單元來劃分網格；所需安裝連接點和加載傳力點與連接盤之間采用 RBE2 剛性單元進行連接模擬；材料選用 QT450-10，屈服強度為 320MPa，抗拉強度為 450MPa。網格大小設定為 5mm，共生成 61041 個網格，104792 個節點。有限元模型具體如圖 1 所示。

                                                                        圖 1 連接盤有限元模型

1.3.連接盤拓撲優化模型建立 

連接盤拓撲優化主要的主要目的是找到最優的可行材料分布方案，故在不影響整車其他零部件裝配的前提下，把原始設計的連接盤上的孔、洞和凹槽全部填充材料，作為設計空間，得到拓撲優化有限元模型。并根據連接盤的鑄造工藝和鑄造形狀所需的左右對稱要求，設置連接盤拔模方向為上下拔模，左右對稱約束。其中顏色較深的 A 區域為連接盤拓撲優化搜索區域，即允許材料分布變化，設為設計空間。顏色較淺的 B 區域用于與其他零部件進行連接與安裝的位置，此處材料不做優化，設為非設計區域，具體如圖 2 所示。

                                                                 圖 2 連接盤拓撲優化模型

1.4 拓撲優化結果 設置好的優化模型，在 Inspire 軟件中調用 OptiStruct 求解器分析優化，后經多次迭代后， 即可得到最終的拓撲優化結果，從優化結果中可以看出最優的材料分布方案，此方案只為概念設計時為設計工程師提供大致的材料分布方案，不為最終的優化方案。在材料減少 40% 條件下的材料分布方案見圖 3 所示。

                                                                         圖 3 拓撲優化后模型

1.5三維模型建立 

設計人員根據拓撲優化后得出的材料分布方案，對連接盤進行重新設計，結合鑄造過程中所需考慮的拔模方向和拔模角度等鑄造工藝要求，同時考慮連接盤在與驅動電機、驅動輪和車架安裝情況，既要保證合適的安裝尺寸，又要保證足夠的強度需求。新設計連接盤三維模型如圖 4 所示。

                                                                  圖 4 新設計連接盤三維模型

2.優化前后連接盤模型的強度對比 

對連接盤原始模型與優化后模型進行同工況的靜力學分析對比，以確認優化后結構的強度是否滿足設計需求，如果新模型不滿足要求，需對新方案進行形狀優化和自由形狀優化等， 直至優化出強度滿足需求的連接盤。優化前后連接盤強度分析對比如圖 5 和圖 6 所示：

                                                                 圖 5 2 倍橋負荷工況下應力

                                                           圖 6 牽引力工況下應力對比

通過分析對比可以看出：牽引力工況下兩種結構的應力值都比較小，滿足強度需求；兩倍橋負荷工況下，新模型相對原始模型應力值稍有降低，最大應力值從原來的 140.5MPa 降 為136.0MPa。其中連接盤材料材質為 QT450，優化后的連接盤強度安全系數為 320/136=2.4，大于設計要求的 2 倍的安全系數，滿足了強度需求，且優化后的連接盤應力分布更加均勻合理。

3.結論 

本文在滿足連接盤強度要求的情況下，運用 OptiStruct 優化技術對其結構進行了拓撲優化設計。拓撲優化后重新設計的模型強度優于原始模型，滿足強度要求。新模型重量從原來的 52.5Kg 下降到 41Kg，比原連接盤減重 21.9%，材料使用量進一步的降低，節約了制造成本和客戶使用成本。由此可見在產品設計概念階段，拓撲優化能夠為設計工程師提供概念性 優化設計方法，縮短了設計開發周期，降低了產品重量，降低了成本，提高了質量，增強了 企業產品競爭力。 

4．參考文獻 

[1] 虞浩.結構拓撲優化的發展歷程和展望[J].科技資訊，2008，（23）：195-196 

[2] 齊延麗.淺談結構優化設計發展的影響因素[J].四川建筑，2007,27（2）：174-175

[3] 徐偉.工程車輛車架的拓撲優化與減重設計[M].南京理工大學學位論文，2007，（6）：3-4 

[4] 李俊.汽車車架優化設計方法[J].機械制造與自動化，2005，（2）：43-45 [5] 王健.應力約束下的車架結構拓撲優化設計[J].汽車工程，1997,19（1）:15-19

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