基于HyperWorks的驻车制动操纵杆拓扑优化分析

    1 概述

    在近现代机械领域中，铸造零件一直占据重要位置。但传统铸造件有精度差、重量大、表面粗糙的缺点。随着现代精密铸造技术的发展，其精度和表面光洁度都有很大程度提高，精铸零件在使用领域上愈发广泛。汽车领域精铸部件的使用同样如此，如桥壳、副车架等。相比传统钣金焊接件，铸造件具有如下优点：

    1.一体铸造成型，组成部件数量少。

    2.无需多次焊接，工序简洁，生产效率高。

    3.无焊缝、焊点，整体材料一致，对材料疲劳、裂纹等便于分析、控制。

    但铸造件自重较大，在汽车轻量化大势所趋的今天，显得尤为突出和矛盾。本文将以某型车驻车制动操纵杆为例，在满足材料强度的基础上，通过多次拓扑运算，优化材料分布，不仅降低了自重0.2Kg，还提升了刚度，优化了工艺性。当然，由于成本、时效等多种因素限制，本例仅对加强筋区域进行了拓扑优化，如果条件允许，全面优化可以取得更理想的效果。在此例中，笔者运用Hypermesh 搭建有限元模型，通过Optistruct 求解。

    图1 原始模型

    2 建立有限元模型

    按照分析流程，有限元模型的搭建可粗略人为分为拓扑前设置和拓扑优化设置两个阶段。前者即通常意义的处理几何、画网格等建立有限元模型操作，后者主要是拓扑优化参数设置和求解。

    2.1 几何处理

    3D几何模型由CAD软件导入，综合各种因素，决定仅将加强筋区域列为设计对象进行拓扑优化。将加强筋区域填平，并切割为独立Solid。

    图2 几何处理模型

    2.2 网格划分

    设计区域和非设计区域均采用四面体单元划分，详见表1：

    表1 网格信息

    2.3 材料参数

    模型材料为镁铝合金，其参数为：

    表2 参数表

    同理输入其塑性段曲线。

    2.4 边界条件

    按照标准，其载荷如下：

    表3 载荷表

    至此，有限元模型如下：

    图3 有限元模型（拓扑）

    3 拓扑优化及结果