劉婷婷 曾桃濤 王蓉 韓璐

               上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心 重慶市

    摘要：本文基于油缸托架原始設計方案在靜強度分析中滿足強度性能要求的情況下，利用 Altair Inspire 的拓撲優化方法對支架進行優化設計。在實現新結構靜強度性能滿足要求的基礎上，油缸托架較原始方案減重 25.3%，達到了輕量化設計的目的。

    關鍵詞：油缸托架、 Altair Inspire、強度分析、拓撲優化  

1 概述 

   Inspire是一款專門為沒有有限元分析經驗的產品設計工程師所打造的結構優化設計軟件。基于OptiStruct  求解器所擁有的拓撲優化技術，獲取產品在最大設計空間內的最佳傳力路徑，從而實現產品的輕量化設計。此外，Inspire針對鈑金件還可以進行形貌優化，使零件具有更好的剛度，增強結構穩定性。 

   油缸托架安裝在油缸尾部，起支撐駕駛室翻轉油缸的作用；在舉升駕駛室的過程中，油缸托架一共處于兩個極限位置，對應的托架有兩個工況，工況一受到沿油缸向下 25050N 的壓力，工況二受到沿油缸向上 25302N 的拉力，如右圖 1 所示。油缸托架的可靠性對車輛安全行駛顯得尤為重要。本文利用首先利用有限元仿真分析方法，對油缸托架進行強度分析，然后基于 Inspire 軟件的拓撲優化技術，對減振器支架進行結構優化，優化后結構在滿足結構強度性能情況下，實現減重 18.6%。

                                                                圖 1  油缸托架 CAD 模型 

    2 油缸托架有限元模型建立 

    2.1 油缸托架前處理 

    利用 Altair 公司的 HyperMesh 前處理軟件對油缸托架進行網格劃分。由于托架是一個異形鈑金件，銷軸為鑄件，因此對油缸托架采用四邊形單元離散，基本網格尺寸為 8mm。共得到 22354 個單元，銷軸采用四面體單元離散，基本尺寸為 3mm，得到 14801 個單元。在檢查網格質量后，對支架網格模型進行材料屬性賦予，邊界條件、工況等相關設置，最終的有限元模型如圖 2 所示。

                                                                圖 2  油缸托架有限元模型 

    2.2 油缸托架強度分析 

    根據結構本身的受力情況，油缸托架受到兩個力的作用，工況一是受到沿油缸向下25050N 的壓力，工況二是受到沿油缸向上 25302N 的拉力。將模型提交 OptiStruct 求解器進行求解計算，得到支架的應力云圖如圖 3、圖 4 所示。

                                                                圖 3  工況一應力云圖  

                                                                圖 4 工況二應力云圖 

    從應力結果可以看出，油缸托架的最大應力出現在銷軸周圍，工況一最大應力值為278.3Mpa，工況二最大應力值為 287.11Mpa 其采用的材料為鋼，該材料的屈服強度為 420Mpa。滿足強度性能要求。在此基礎上對油缸托架進行輕量化設計，不僅可以降低成本也可以實現產品性能最大化。 

    3 油缸托架的優化分析 

    拓撲（Topology）優化技術即在給定的設計空間內找到最佳的材料分布或傳力路徑，從而在滿足產品性能的條件下得到重量最輕的設計。拓撲優化可以采用殼單元或者實體單元來定義設計空間，利用均勻化和密度兩種方法來定義材料的流動規律。根據減振器支架的轉配空間及加工制造約束，確定支架最大設計空間如圖5所示。 

                                                                圖5 油缸托架最大設計空間 

    油缸托架的拓撲優化模型如圖 6 所示。利用布爾運算將螺栓孔及銷軸周圍獨立出來，設置為非設計空間，剩下部分為設計空間；  模擬結構連接、約束，按照結構的受力情況設置工況；  設計目標為最大剛度，經過拓撲優化，得到如圖 6 的優化結果。對拓撲優化后的模型結構利用 CATIA 軟件重新設計，得到新的支架結構如圖 7 所示。 

                                                                圖6 油缸托架拓撲優化結果 

 

                                                                圖 7 優化后 CAD 模型 

    在獲取優化后的 CAD 模型后，按相同邊界條件對新結構進行靜力分析，得到結果如圖 8所示的應力結果。從分析結果來看，工況一結構最大應力為 329.572 MPa，工況二結構最大應力為 355.982MPa，滿足強度設計要求。通過 catia 軟件對原始結構和新結構進行稱重對比，稱得優化前質量為 3.744kg，優化后質量為 2.796kg，減重 25.3%  

                                                                圖 8  新結構油缸托架應力云圖 

    通過對比可以看出，利用 solidThinking Inspire 所提供的優化設計方法，可以快速的獲取合理的結構原型，幫助產品設計工程師進行產品結構設計。 

    4 總結 

    本文利用 HyperWorks 軟件對油缸托架進行了靜力分析，在原始結構不滿足設計要求的情況下。利用 Inspire 基于 OptiStruct 的拓撲優化技術，可以快速的設計出兼顧結構性能和重量的產品，實現零件輕量化設計的目的。縮短開發周期，節省研發成本。此設計方法對類似的產品設計有很大的參考意義。  

    參考文獻 

    [1] 洪清泉，趙康，張攀，等. OptiStruct＆HyperStudy 理論基礎與工程應用[M] 北京:機

械工業出版社，2013． 

    [2]張勝蘭，鄭冬黎等.基于 HyperWorks 的結構優化設計技術[M]. 北京：機械工業出版社，

2007. 

    [3]李楚琳，張勝蘭等.HyperWorks 分析應用實例[M]. 北京：機械工業出版社，2008. 

 

       

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