基于拓扑优化的转向杠杆轻量化分析

    0 引言

    转向杠杆通过转向杠杆支座安装到车架上，前端通过直拉杆1与第一垂臂、方向盘、转向机相连，后端通过直拉杆2与第二桥转向轮相连。其中第一垂臂与第一前桥相连，如图1所示。转向杠杆在车架中起到重要的转向连接作用。整车整备质量减小可降低燃油消耗，节约整车使用成本，因此为在保证转向杠杆性能的前提下，质量降到最低，进行拓扑优化分析。

    1 转向杠杆性能要求

    强度要求，结构最大应力不超过材料屈服强度，该结构材料为Q235,屈服强度为235MPa。

    模态要求，结构的固有频率既不在发动机怠速频率[27.5Hz，32.5Hz]的范围之内，也不与车轮在常用车速时的激振频率6.73Hz耦合。

    发动机怠速频率计算方法见式(1)

    2 强度与模态分析

    在进行结构轻量化优化之前，先对结构进行强度与模态分析，作为依据对结构进行轻量化改进。

    2.1 强度分析

    用RBE2模拟螺栓连接，按照实际工况，在螺栓处定义固定端约束与载荷。通过对所建立模型的求解，得到转向杠杆的应力情况。转向杠杆的应力云图如图2所示，其最大应力值为75.8MPa，远小于材料的屈服强度235MPa。

    2.2 模态分析

    通过对转向杠杆进行自由模态求解，得到转向杠杆的自由模态频率，见表1。转向杠杆的第一阶固有频率为695.1Hz既不在怠速频率[27.5Hz，32.5Hz]的范围之内，也不与车轮在常用车速时的激振频率6.73Hz耦合。有较大的优化空间。

    3 拓扑优化分析

    3.1 转向杠杆拓扑优化数学模型

    在拓扑优化中，将设计空间单元密度设为设计变量，用Homogenization(均勻化）和Density(密度)两种方法定义材料的流动规律，每个单元的密度在0?1之间变化。0和1分别代表空或实；中间值同均匀化法，代表假想的材料密度值。在车体零部件转向杠杆的拓扑优化设计中，要通过优化设计的数学模型来进行求解。首先要确定其目标函数、设计变量和约束条件，以便建立优化设计的数学模型。

    3.2 转向杠杆拓扑优化有限元模型

    将转向杠杆有限元模型分为设计区域与非设计区域，如图4所示。

    目标函数:转向杠杆质量最小化；

    设计变量:设计空间单元密度；