幾何模型與設計空間定義：

①初始 CAD 模型：

創建一個包含所有關鍵硬點（輪心、主銷上下點、減震器安裝點、制動卡鉗安裝點、控制臂連接點等）的幾何模型。這個模型應該足夠大，能夠容納所有可能的材料分布。

②設計空間：將轉向節主體區域（去除安裝孔、螺栓孔、軸承座等不可優化的區域）定義為設計空間。這些不可優化的區域通常是需要保留以安裝其他部件或傳遞載荷的結構。

③非設計空間：明確指定不可優化的區域，如：

所有安裝孔、螺栓孔（及其周圍的凸臺）。

輪轂軸承座區域（需要保證軸承安裝精度和剛度）。

主銷孔（或球鉸安裝座）。

制動卡鉗安裝面。

減震器安裝點。

控制臂安裝點。

與周圍部件（如輪轂、制動盤、轉向拉桿）可能發生干涉的區域，本例研究的轉向節設計空間與非設計空間如圖1所示，紅色區域為設計空間：

圖1 轉向節拓撲優化空間定義示意圖

④網格劃分：使用高質量的四面體對設計空間和非設計空間進行網格劃分。網格密度需要足夠細，以捕捉潛在的優化結構細節，但也要考慮計算效率。關鍵區域（如載荷施加點、約束點、預期高應力區）需要更密的網格。

2.材料屬性定義：

①為設計空間和非設計空間賦予真實的材料屬性。

②定義彈性模量 (E)、泊松比 (ν)、密度 (ρ)，如圖2所示：

圖2 材料參數設置

3.載荷工況定義：

①識別關鍵工況：這是最重要的一步。轉向節在車輛行駛中承受多種復合載荷。典型的獨立工況或組合工況包括：

最大垂直力工況：模擬車輛過坑或沖擊，輪心受到向上的巨大沖擊力。

最大制動力工況：模擬緊急制動，輪心受到縱向制動力（向后），同時制動卡鉗受到反向作用力（向前）。

最大轉向力工況：模擬轉向輪遇到障礙或極限轉向，輪心受到側向力（向內或向外）。

最大驅動力工況：（對于驅動輪）模擬急加速，輪心受到縱向驅動力（向前）。

彎扭組合工況：經常是垂直力 + 制動力/驅動力 + 側向力的組合，模擬車輛過彎制動/加速。

耐久性工況：考慮循環載荷，用于后續疲勞分析或作為優化的約束條件。

②載荷施加：

輪心：施加力和力矩（Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz），通常通過 RBE2/RBE3 單元連接到輪心點。

制動卡鉗：施加制動力或驅動力反作用力（Fx）。

減震器：施加垂向力（Fz）。

控制臂：通過 RBE2/RBE3 單元在連接點施加約束或力（取決于分析模型）。

主銷/球鉸：施加約束（通常是旋轉約束，模擬主銷軸線）。

③載荷大小：載荷大小應基于車輛參數（重量、軸荷分配、重心高度、輪胎摩擦系數等）和設計目標（如滿足特定法規或耐久性目標）進行計算或通過多體動力學仿真（如 Adams/Car）提取，本例轉向節工況載荷加載如圖3所示：

圖3 轉向節工況加載圖

4.邊界條件定義：

①主銷/球鉸約束：在轉向節的主銷孔或球鉸安裝點施加約束，模擬其繞主銷軸線的旋轉自由度。通常約束 5 個自由度（除了繞主銷的旋轉自由度 Rx）。

②其他約束：根據具體分析模型，可能需要約束控制臂連接點的某些自由度。

1. 優化問題定義 (OptiStruct Control Cards)：

①目標函數 (Objective)：最常用的是最小化柔度（最大化整體剛度），對應 DTPL卡片。有時在滿足性能約束下最小化質量 (MASS)，轉向節拓撲優化目標函數按照最小化質量進行設置

②約束條件 (Constraints)：

體積分數約束：定義設計空間允許使用的最大材料體積百分比 (`VOLFRAC`)。這是控制減重幅度的主要約束，VOLFRAC = 0.3 表示最多使用設計空間 30% 的材料）。

制造約束：

拔模方向約束 (DRAW):定義鑄造所需的拔模方向，確保優化結果可鑄造。

對稱約束 (SYMM):如果轉向節設計是左右對稱的（通常不是，因為主銷可能有后傾角、內傾角），可以施加對稱約束。

最小/最大成員尺寸控制 (MINDIM/MAXDIM):避免過細的桿件（制造困難，應力高）或過大的實體區域（不利于減重）。

性能約束 (可選但推薦)：

位移約束 (DISP):限制關鍵點（如輪心）的位移，保證懸架運動學/彈性運動學性能。

應力約束 (STRESS):在拓撲優化中直接施加全局應力約束計算量大且可能不穩定，通常作為后續尺寸/形狀優化的約束。

6. 提交計算與監控：

①將定義好的模型（網格、屬性、載荷、邊界條件、優化設置）提交給 OptiStruct 求解器。

②監控求解日志文件 (.out/.log) 和迭代過程文件 (.iter)，了解收斂情況、警告和錯誤信息。迭代過程如圖5所示：

圖5 優化迭代過程

7.結果解讀與后處理：

密度云圖：在 HyperView 中查看設計空間的單元密度（偽密度）分布 (0~1)。密度接近 1 的區域是必須保留的“實心”結構，密度接近 0 的區域是可以去除的材料，中間值表示需要解釋的過渡區域，轉向節拓撲優化單元密度云圖如圖6和圖7所示：

圖6 單元密度顯示設置

圖7 轉向節單元密度顯示

最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。