某商用車的功能件-空濾器支架作為承載部件，單個質量達到26.8Kg（該車共有兩個該類型支架），板厚達到8mm，支架如圖1所示，為提高產品的競爭能力，必須對商用車進行輕量化，該支架是重點減重對象。為此基于optistruct軟件，提出一種基于拓撲優化設計的輕量化設計方法。

       

1. 有限元建模

1）幾何簡化

首先為完成建模，要對幾何模型的表面圓角和不影響分析的孔進行簡化，以便提高計算精度和效率。

2）有限元模型建立

考慮到零件為鋼板制成，本次建模使用殼單元，加強板（圖2中黃色部件）與主體板件之間的焊接關系使用剛性連接模擬，支架的載荷根據實際載荷，使用分布載荷施加在承載面上，為滿足極端惡劣工況要求，動載系數設置為3。最后，基于hypermesh軟件的有限元模型如圖2所示。

3）有限元分析

進行有限元分析，以便得到現有支架的相關性能參數，作為優化設計的約束，以便在減重的同時，保持零部件性能不下降。經分析，支架遠端位移最大，垂向位移為2mm，二應力分析表明，部件設計安全裕度較大，存在較大減重空間，部分區域冗余，沒有充分利用材料和相關工藝，達到材料的最優拓撲，該零件符合拓撲優化條件。

2.優化設計

1）建立設計變量

 進入optistruct界面，該拓撲優化使用材料的密度作為拓撲設計變量，對承載有用的單元賦予真實的材料密度，而冗余的單元則賦以零密度。關聯有限元模型的屬性，將其中的密度引用為變量，變量類型為PSHELL，base thickness設置為7.99mm。

2）定義響應

本優化，以零部件的體積最小為目標，以約束遠端一個節點的垂向位移小于2mm。為此建立一個名為volume的體積響應，和一個dispz的位移響應。響應可以理解為以設計變量為自變量的函數，optistruct提供了很多類型的響應可供選用。

3）定義目標函數

選擇上述volume響應為目標函數，類型定義為：min

4）定義約束

建立一個名為disp的約束，在響應范圍框內定義位移變動范圍大于-2mm，并關聯到上述的dispz的位移響應，并選擇有限元模型中的相應工況。

5）設置優化卡片，設置迭代步和收斂條件。

6）選擇optistruct求解器求解上述優化模型，結果可進入hyperview查看，拓撲優化結果如圖4所示。

拓撲優化設計空間表明，優化效果較為明顯，但顯然優化后的結果并不符合可制造原則，為此結合現有零件特點和加工工藝，得出改進后的輕量化設計方案如圖5所示，有限元分析結果表明（如圖6所示），優化后的零件性能仍保持不變，但質量降低6Kg，優化效果顯著。