支架優化設計的案例
基于solidThinking的嫦娥四號中繼衛星斜裝動量輪支架優化設計
衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化設計流程
利用 Altair Inspire，設計工程師首先對衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型進行了前處理，此環節主要考慮的要素有：動量輪本體有 4 個安裝螺釘；安裝法蘭在腰部，背后突出進入支架內部；支架下端通過 7 個螺釘與衛星連接；姿控要求安裝角度為 45°。
衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型
在確認完衛星斜裝動量輪支架的機械接口、安裝空間、安裝要求等要素后，進入了對拓撲優化基礎模型的處理環節，這部分需要確認動量輪支架的設計空間、非設計空間、施加載荷及約束。例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘的操作空間；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及 4 個螺釘孔。同時，由于支架下端是通過 7 個螺釘為衛星連接，所以按照固定支架處理。載荷加載在動量輪上，約束為 7 個螺釘孔，材料是鋁。
衛星斜裝動量輪支架拓撲優化基礎模型
拓撲優化是衛星斜裝動量輪支架優化設計流程中的關鍵環節，主要目的在于確定優化目標，并進行運算。衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小質量模式為優化目標，優化的最小剛度為 250HZ，加載載荷為 7 個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。
最后，根據輸出優化目標滿足設定要求的數據，并調整拓撲材料分布滑塊，選擇連續實體形式，確定衛星斜裝動量輪支架優化設計結果。
展開 基于HyperWorks的車輛板簧支架優化設計
圖8 有限元計算模型
根據拓撲優化的板簧支架結構， 利用大型有限元軟件Hyperworks平臺的RADIOSS求解器對板簧支架進行有限元強度分析，板簧支架新結構最大von Mises應力值計算結果如表1所示，各工況下板簧支架應力云圖如圖 9 所示。
表1 板簧支架優化前后各工況下性能對比
圖9 板簧支架各工況下應力云圖
計算結果表明，經過solidThinking Inspire優化設計后的板簧支架，各工況下強度都滿足設計要求，最小安全系數為3.33。該板簧支架在車輛可靠性試驗過程中未出現斷裂等問題，證明其設計滿足性能需求。通過對板簧支架進行優化設計，證明了基于solidThinking Inspire的拓撲優化設計方法可以有效提高產品開發進度，合理布局零件的材料，達到了降低制造成本的目的。將最終的創意設計結構體現在實際工程中，與車輛的板簧及車架連接，如圖10所示。
圖10 工程實際應用
5 結語
以某重型車板簧支架為設計對象，基于變密度法建立了拓撲優化的數學模型，利用Hyperworks中的solidThinking Inspire模塊將連續體結構拓撲優化方法應用到該板簧支架結構優化設計中，對多工況下的板簧支架結構進行優化設計。
根據拓撲優化的結構，再結合制造工藝及設計經驗，對板簧支架進行重新設計，最后對新結構進行了有限元強度計算，計算
結果表明，進行優化設計后的板簧支架，性能滿足設計要求。通過solidThinking Inspire可以更加科學有效地進行結構設計，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠經驗設計，僅考慮零件的功能性需求，忽視其可靠性的缺陷。通過solidThinkingInspire的優化設計，不僅可以很好的布置其材料分布，而且節省不必要的材料應用，既提高工作效率，也實現了生產成本的降低。
展開 面向增材制造的嫦娥四號中繼衛星—斜裝動量輪支架優化設計
例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘的操作空間；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及4個螺釘孔。同時，由于支架下端是通過7個螺釘為衛星連接，所以按照固定支架處理。載荷加載在動量輪上，約束為7個螺釘孔，材料是鋁。
衛星斜裝動量輪支架拓撲優化基礎模型
拓撲優化是衛星斜裝動量輪支架優化設計流程中的關鍵環節，主要目的在于確定優化目標，并進行運算。衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小質量模式為優化目標，優化的最小剛度為250HZ，加載載荷為7個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。
最后，根據輸出優化目標滿足設定要求的數據，并調整拓撲材料分布滑塊，選擇連續實體形式，確定衛星斜裝動量輪支架優化設計結果。至此，通過以上步驟，設計工程師們利用Altair Inspire得到了在綜合考量重量情況下的衛星斜裝動量輪支架的優化傳力路徑及連接狀態。
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例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘的操作空間；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及4個螺釘孔。同時，由于支架下端是通過7個螺釘為衛星連接，所以按照固定支架處理。載荷加載在動量輪上，約束為7個螺釘孔，材料是鋁。
衛星斜裝動量輪支架拓撲優化基礎模型
拓撲優化是衛星斜裝動量輪支架優化設計流程中的關鍵環節，主要目的在于確定優化目標，并進行運算。衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小質量模式為優化目標，優化的最小剛度為250HZ，加載載荷為7個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。
最后，根據輸出優化目標滿足設定要求的數據，并調整拓撲材料分布滑塊，選擇連續實體形式，確定衛星斜裝動量輪支架優化設計結果。至此，通過以上步驟，設計工程師們利用Altair Inspire得到了在綜合考量重量情況下的衛星斜裝動量輪支架的優化傳力路徑及連接狀態。
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?基于有限元技術的發動機懸置支架拓撲優化設計研究
進而應用有限元方法對發動機懸置支架進行分析；根據分析結果，使用連續體結構拓撲優化技術對支架模型進行優化設計；減輕了懸置支架的質量，指出了拓撲優化在輕量化設計中的重要意義。
關鍵詞：懸置支架 運動學仿真 有限元分析拓撲優化輕量化
前言
隨著汽車工業的快速發展及日益突出的能源問題，對汽車設計提出的新要求是降低其制造成本及提高整車燃油經濟性，通過對零部件和整車進行材料優化配置和結構優化設計，可以在不影響其強度和性能的基礎上達到產品的輕量化，以期實現降低制造成本和節能的目標。
拓撲優化技術是一項新興的設計方法,它可以在方案設計階段給出零部件甚至車身原型合理的材料布局,減輕結構重量. 通過這項技術,企業能縮短設計周期,提高產品性能,減少昂貴的樣件生產和整車測試的次數。目前，均勻化法、變厚度法、變密度法等方法對于處理平面問題的拓撲優化已日趨成熟。
變密度法的基本思想是引入一種假想的密度可變材料，對結構中每個有限單元賦予內部偽密度（pseudo-density）,然后通過內部偽密度來確定目標函數。設單元密度為0到1之間的某一值，如某些單元所受應力較小，可相應減小密度；如某些單元是關鍵單元，則可相應增加密度。最后根據單元密度，通過設定門檻值來調整材料的分配。當某處單元的相對密度為1，則表示該單元為有材料，應保留或增加該單元（實體），如果相對密度為0，表示該處單元無材料，單元可以刪除。這樣，優化時就以材料密度為設計變量，使結構的拓撲優化問題轉換為材料的最優分布問題[1] [2]。
變速器懸置支架（見圖1）是動力總成懸置系統中的安全件和功能件，它的作用是支撐懸置、連接變速器以及傳遞作用在動力總成上的一切力和力矩，另外，懸置支架的一階固有頻率對車內噪聲的影響很大，因此，在動力總成懸置系統設計時，應對支架的強度和固有頻率進行優化設計和試驗驗證。
展開 支架形貌優化設計方法研究.pdf
支架形貌優化設計方法研究.pdf
基于Inspire的發動機和發電機復合支架拓撲優化設計
本文基于SIMP的材料插值模型，以支架的剛度最大化為設計變量，以設計空間的單元相對密度為設計變量，以模型體積和支架模態為約束條件，建立的拓撲優化設計的數學模型。
3 拓撲優化模型的建立
3.1 幾何處理
將發動機懸置與發電機支架模型導入到Inspire軟件中，利用簡化工具去除模型的圓角與倒角；利用剪切工具，根據模型的幾何結構，將模型剪切成若干板塊，為后期設置拔模方向和形狀控制做準備；利用分割工具將模型的螺栓孔按徑向3mm分割出來，利用布爾運算合并有相同屬性的板塊，將拓撲優化的板塊設置為設計空間。幾何處理后的模型如圖3所示，其中深色區域為設計空間，淺色為非設計空間。
展開 形貌優化在動力總成懸置支架設計中的應用
為了便于形貌優化的計算，必須對初始模型進行簡化，利用 HyperWorks中的 midsurface工具，首先抽取支架模型的中面，然后利用autocleanup工具進行幾何清理，得到殼體模型見圖1 1b。
圖 1 原始模型及模型中面圖
利用 HyperWorks中 CONM2單元將橡膠懸置重量簡化為質點，并在質點上賦予415g的集中質量，并用reb2單元連接。利用 PSHELL單元對支架進行網格劃分，為了保證優化的質量，要對網格的密度和質量進行控制。網格密度對優化出的結果有較大的影響，網格質量差會導致優化問題不收斂，此時選用的網格大小為4mm，劃分完后得到1565個節點和1213個單元。由于支架所采用的材料為SAPH400,在CAE計算中所使用到的材料參數如表2所示。
表2支架材料及其固有力學性能參數
確定懸置支架優化時的設計空間和非設計空間。支架作為支撐件，同時與車架主體和變速器后懸置相連，兩者給支架的設計提出了一定的約束，有明確約束的區域就定為非設計空間（藍色區域）。設計約束較為寬松的區域定為設計空間（黃色區域），加強筋板一般布置在這個區域。（見圖 2）
圖 2 網格模型和設計空間
3 支架模態分析
根據GM的最佳設計經驗，為了避免發生共振，對于設計的支架第一階頻率有一個設計的目標值（如600HZ）。對初始設計的支架進行模態分析，發現原始設計的支架一階模態為577HZ，未能達到設計標準； 需要進行優化分析，得到合理的加強筋布局來提高支架模態。
圖 3 模態分析圖
4 形貌拓撲優化分析
在進行形貌優化分析時設置合理設定參數，可以幫助提高優化的效果，并且使優化的結果更加具有實用性。
展開 基于HyperMeshOptiStruct的發動機支架結構拓撲優化設計
基于HyperMeshOptiStruct的發動機支架結構拓撲優化設計.docx
動力總成懸置支架多工況拓撲優化設計研究
可見拓撲優化設計對結構輕量化的效果是很明顯的。
6.結論
在懸置系統動力學仿真分析的基礎上，進行了某車型車身側右懸置鈑金支架所受應力和模態頻率的預分析。結合預分析的實際情況，采用變密度法對零件進行了結構拓撲優化，通過拓撲優化前后的應力分布及模態頻率情況的對比。說明了拓撲優化對于懸置支架的輕量化和力學性能的改善有著顯著的效果。本文建立的優化設計方法和設計思路也可用于汽車上其他零部件的設計。
拓撲優化技術這一新興優化設計方法非常適合于汽車工業中車身整體和單個零件的設計. 盡管有一些困難,但世界范圍內的汽車業已有大量成功應用的案例,專門的拓撲優化軟件現也已相對成熟. 目前國內汽車工業的相關研究和應用還不多,因此需要加強這一方面的研究工作,推廣拓撲優化技術的使用,從而促進汽車設計水平與國際接軌。
參考文獻
1黃慶，杜登惠，黃小飛動力總成懸置支架的多工況拓撲優化 汽車技術，2008（10）
2 楊樹凱，朱啟昕，吳仕賦.基于有限元技術的汽車支架拓撲優化設計研究.汽車技術，2006（3）
3顧春祺.拓撲優化在汽車控制臂輕量化設計中的應用.2007中國汽車工程學會論文集,568-571
4潘孝勇，柴國鐘，劉飛，徐馳.懸置支架的優化設計與疲勞壽命分析.汽車工程，2007（4）
5呂兆平能量法解耦在動力總成懸置系統優化設計中的運用。汽車工程，2008（6）
展開 基于HyperWorks發動機支架的拓撲優化設計
3.2 建立發動機支架優化的CAD模型
根據圖5拓撲優化的結果，結合具體的鑄造工藝條件，進一步對發動機支架的原模型加以改進，即對其進行二次設計，得到支架優化后的CAD模型如圖6所示。
3.3 發動機支架優化前后的有限元分析
表1 發動機支架優化前后結果對比
圖7為優化后發動機支架的有限元模型，至圖8至圖11為發動機優化前后CAE分析結果對比，表1為其優化后的比較結果。
由以上的分析結果可以看出，改進之后的模型在相同的載荷作用下，最大位移和最大應力都較改進之前有所增大，但這是可以接受的，因為最大應力都遠遠小于材料的屈服極限270MP，但重量卻減輕了0.705/4.417=15.96%，該支架生產批量極大，因此其拓撲優化結果將帶來顯著的經濟效益。
5 結論
本文對發動機支架結構進行了基于有限元分析的拓撲優化設計。最終的優化支架，重量減小了 15.96％，由于在行駛中發動機支架不斷受到來自路面的振動，今后應進一步考慮結構在不同路況和路面譜下的動態和疲勞分析，以提高結構的動態性能。
拓撲結構優化能夠為工程設計人員提供結構概念性優化設計方法，將對傳統設計形成挑戰，縮短設計開發的周期，提高零件質量，從而增強企業的競爭力。
來源網絡
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某重型卡車板簧支架的輕量化設計
摘 要：本文基于HyperWorks平臺建立了某重型卡車板簧支架的拓撲優化模型，通過結構多工況拓撲優化方法發掘板簧支架的可輕量化設計空間，進而在三維設計軟件中進行輕量化方案設計；最后校核輕量化方案，實現板簧支架的降重目標，為其他零件的輕量化設計提供參考。
關鍵詞: 板簧支架；拓撲優化；輕量化
前言
鋼板彈簧是重型卡車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，對于卡車的正常行駛有著非常重要的意義。鋼板彈簧是由許多具有彈性、寬厚一致，而且長短不一的鋼片所組成的。其作用是把車架與車橋用懸掛的形式連接在一起。其裸露在車架與車橋之間，承受車輪對車架的載荷沖擊，消減車身的劇烈振動，保持車輛行駛的平穩性和對不同路況的適應性。而板簧支架連接著鋼板彈簧和車架，承受來自鋼板彈簧的沖擊，對其強度有著較高的要求。隨著近年來全國各地限超限載政策法規的出臺，以及國家對整車質量與公告法規一致性的檢查，車輛零部件的輕量化越來越受到主機廠以及用戶的重視。重型卡車上板簧支架在設計初期要求在滿足強度的前提下減少其自身重量，以滿足強度和輕量化需求。
培龍等[1]采用變密度法對某商用車動力總成的懸置骨架進行了輕量化設計；丁煒琦等[2]通過拓撲優化方式對某重卡輪轂進行了輕量化設計，在保證結構強度的前提下，降低了重量；晏全周[3]采用HyperWorks平臺建立前板簧支架的拓撲模型，并使用CATIA軟件進行優化設計，在保證支架強度的情況下，實現降重20.4%；曹征棟[4]對商用車發動機懸置支架進行結構優化，在保證強度的基礎上，設計出輕量化支架。
展開 通過創成式設計得到重量輕20%的支架
創成式設計是通過算法自動生成設計的一種方式，是根據一些起始參數通過迭代調整來找到一個（優化）模型的方法。
絕大多數創成式設計方法基于結構優化，特別是拓撲優化（TO）。 經典拓撲優化解決的問題是，在給定數量的材料中，找到最堅固的結構，以數學/科學術語來描述拓撲優化就是，在體積分數約束（給定材料量）下將柔量最小化（相當于最大化剛度）。
那么，實現剛度最大化的設計就已經是最優化的設計結果了嗎？本期，3D科學谷將通過一個創成式設計進行支架設計優化的案例來回答這個問題。在該案例中，ParaMatters 分別通過其創成式設計平臺CogniCAD 中的柔量設計和最小質量設計，對同一個支架進行了設計優化研究，其中通過后者得到的支架設計在滿足給定應力約束的情況下，得到的支架重量更輕。
通過最小質量設計得到輕20%的支架
安裝支架設計優化案例
材料：AlSi10Mg
屬性：密度= 2670 kg / m3，楊氏模量= 60 GPa，泊松比= 0.33，屈服應力= 230 MPa。
支架固定在底座上，同時應用三個載荷工況如下：
載荷工況 1 - 在右分支上施加總力45,250 N
載荷工況 2 - 在左分支上施加總力45,250 N
載荷工況 3 - 在每個分支上同時施加45,250 N
設計目標是，在最大應力不超過給定的170 MPa限制的情況下，得到最輕的支架設計。
a. 柔量設計
設計師通過創成式設計平臺CogniCAD，運行一系列最小柔量設計，以探索是否可以實現不超過170 MPa應力的設計。 使用CogniCAD中等分辨率，使具有大約2.5M元素的模型離散化。
展開 基于Hyperworks二次開發的液壓支架等強度設計
摘 要：針對液壓支架應力分布不均衡、支架大部分板件的強度都沒有達到屈服極限等問題，提出基于Hyperworks二次開發的液壓支架等強度設計方法。以典型單元的應力強度比標準差最小為優化目標，對液壓支架進行多工況尺寸優化設計和疲勞壽命驗算，使其在滿足液壓支架設計準則的前提下，對原有的模型進行等強設計。結果表明，優化后液壓支架主結構件在同種工況下應力分布更加均勻，同時提高了液壓支架的疲勞壽命，為液壓支架的設計研究提供理論和數據支撐。
關鍵詞：液壓支架；二次開發；等強度設計；優化；疲勞壽命分析
0 前言
液壓支架是煤炭綜采工程中的重要裝置，起到支撐頂板以確保采煤安全的作用，其運用在很大程度上提升了采煤效率和機械化程度。傳統液壓支架為符合強度和剛度要求，通常選取相對較厚的支架鋼板。為了提高板式液壓支架的性價比，有必要對其進一步優化。本文以兩柱掩護式液壓支架為研究對象，基于有限元理論，將液壓支架結構設計問題轉化為數學模型，運用優化設計理論，根據相關標準和規范，開展全工況的等強度優化分析。結果表明，優化設計后模型力學性能和抗疲勞性能提升，有效改善支架應力不平均的狀態，為后續更換鋼材等級提供參考依據，提高產品市場競爭力。
1 液壓支架等強設計分析方法
液壓支架等強度優化分析包含11種工況、2種模型高度，其中10種工況的模型高度一致，若同時考慮2種模型高度，數值分析難度較大。本文對包含工況較多的模型運用tcl/tk語言開展基于Hyperworks二次開發的液壓支架等強度優化設計，對關鍵板件開展以應力強度比最小為優化目標的獨立尺寸優化設計，求解出各自最佳的尺寸方案，之后對另一種模型高度進行驗算，最后應用Hyperworks和nCode DesignLife聯合的方式對2種模型高度的疲勞強度進行驗算，優化過程如圖1所示。
展開 從概念創意到工程應用—solidThinking Inspire 在車輛板簧支架設計中的應用
介于以上情況，在車輛前板簧后支架概念設計階段，為了快速獲得優秀的產品雛形，利用Inspire 進行其優化工作，下面將詳細介紹利用Altair公司優化工具solidThinking Inspire進行車輛板簧支架從概念創意到實際工程應用的整個過程。
3板簧支架優化設計
3.1初始設計空間
在設計開始之前，設計師通過創建模型外觀邊界的三維實體來構思造型，這個邊界所包含的體 積我們稱為設計空間，所有Inspire優化后的形態都包含于這個設計空間里。鑒于支架與車架的安裝 連接關系，以及支架與板簧卷耳的位置和安裝關系，車輛前板簧后支架的初始設計空間定義如圖1 所示，其中六個小孔為支架與車架的安裝孔，下面兩個大孔為支架與卷耳的安裝空位。
圖1初始設計空間
3.2工況定義
由于要考慮到工程實際應用，所以必須對部件的工作狀況進行定義，只有這樣，solidThinking Inspire優化出來的結構才能滿足實際工作需要。
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