基于 HyperMorph 參數(shù)化的轉向節(jié)概念設計

Steering knuckle conceptual design With parameter method based on HyperMorph

黃永旺 吳延龍 王華
（長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院 CAE 工程所 重慶 401120）

摘 要：本文基于 HyperMorph+HyperStudy 平臺，利用參數(shù)化方法對某汽車轉向節(jié)進行設計優(yōu)化。 以厚度、形狀作為參數(shù)化設計變量，轉向節(jié)最大應力值和損傷為約束條件，質量最小為目標函數(shù)， 在規(guī)定的設計空間內優(yōu)化最佳的結構分布情況，得到滿足目標要求的設計結構。
關鍵詞：轉向節(jié) 參數(shù)化 約束 優(yōu)化

Abstract: This paper, based on "HyperMorph+HyperStudy", using parameter method to optimize the design of one car's knuckle structure. Defining the max stress and deformation as constraints, minimum mass as objective function to find out the best parameters in a limited volume. Then optimizing the design for the knuckle, to get a satisfying the target requirements of design structure.

Key Words: kunckle, parameter, constraints, optimization

1 概述

參數(shù)化優(yōu)化是一個面向多領域多學科的優(yōu)化技術方法，在不斷追求產(chǎn)品質量，降低開發(fā)成本和 縮短設計周期的趨勢下，利用概念階段參數(shù)化進行快速優(yōu)化設計是強有力的手段之一。HyperMorph 是實現(xiàn)參數(shù)化過程的有效手段，通過移動控制柄，可以改變域的形狀。建立有效的參數(shù)模型，提交 HyperStudy 優(yōu)化平臺進行優(yōu)化設計。

下面重點以某汽車轉向節(jié)結構優(yōu)化設計為例，解析參數(shù)化優(yōu)化技術在工程實際中的應用。轉向節(jié)是汽車轉向橋上的主要零件之一，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向，轉向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷，支撐并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度。

2 基礎模型分析

2.1 有限元模型描述

利用 HyperMesh 建立轉向節(jié)實體有限元模型。如下圖 1 所示

圖 1 轉向節(jié)設計區(qū)域有限元模型

2.2 基礎模態(tài)分析和評價

經(jīng)過多體分解得到的載荷，加載到轉向節(jié)，得到在 Z 向沖擊的工況下，轉向節(jié)最大應力值超過 材料屈服，疲勞損傷值大于目標要求。存在可靠性風險，因此需要優(yōu)化轉向節(jié)結構，使其最大應力 值低于目標要求，并保證使用壽命滿足設計需要。計算結果如下圖 2 所示

圖 2 轉向節(jié)強度、疲勞結果示意圖

3 優(yōu)化分析

3.1 參數(shù)化模型的建立

考慮轉向節(jié)形狀、倒角、和厚度等參數(shù)，利用 morphing 建立參數(shù)化有限元模型。如下圖 3 所示

圖 3 轉向節(jié)優(yōu)化區(qū)域有限元模型示意圖

3.2 優(yōu)化分析和結果

參數(shù)化優(yōu)化分析流程：

對新建立的參數(shù)化有限元模型進行優(yōu)化分析，選取最優(yōu)一組參數(shù)。如下圖 4 和圖 5所示

3.3 優(yōu)化結構設計
對優(yōu)化后結果進行工程解析，得到可行性設計的結構。如下圖 6 所示

圖 6 優(yōu)化后結構設計示意圖

4 優(yōu)化結果和基礎分析結果對比

優(yōu)化后的結果最大應力值和疲勞損傷值均滿足目標值要求。優(yōu)化后結果如下圖 7 所

圖 7 優(yōu)化后轉向節(jié)強度、疲勞結果示意圖

優(yōu)化后結果與基礎分析結果對比，如下表格 1 所示

表1 模態(tài)分析結果對比

5 結論

本文采用HyperWorks軟件對某車轉向節(jié)結構進行參數(shù)化優(yōu)化設計，得到一組最優(yōu)的參數(shù)，再根據(jù)工程實際對結果解析，得到了滿足目標要求的最佳結構。大大縮短了項目開發(fā)周期，成本控制方面也得到了很好的體現(xiàn)。

6 參考文獻

[1] 張勝蘭，鄭冬黎,等.《基于HyperMesh的結構優(yōu)化設計技術》[M]．北京：機械工業(yè)出版社．2007．

來源：CAE學習聯(lián)盟