金莹莹
（观致汽车有限公司，上海200126）
摘要：文中基于OptiStruct软件对某项目汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了三个载荷工况下，控制臂优化前和优化后的应力和位移。结果表明，拓扑优化后的控制臂的应力在3个工况下都略有增大，但应力值远远小于铸钢材料的屈服极限（650MPa）；拓扑优化后的控制臂的位移在3个工况下都略有增大，但均小于1mm。这说明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的强度要求。同时，控制臂结构的重量减轻了35%，实现了轻量化的性能需求，这对汽车零部件产品的设计具有一定的参考意义。
关键词：拓扑优化；OptiStruct；控制臂；强度；减重
中图分类号：U463.33文献标志码：A文章编号：1002-2333（2018）02-0082-03 Topology Optimization Design for Vehicle Control Arm Based on OptiStruct
JIN Yingying
(Qoros Automotive Co.,Ltd.,Shanghai200126,China)
Abstract:This paper carries out topology optimization of the vehicle control arm based on the OptiStruct software.The results show that the stress of the control arm after topology optimization is slightly increased under three operation conditions,but the stress value is much smaller than the yield limit(650MPa)of the cast steel material.The displacements of the control arm after topology optimization under normal conditions are slightly increased,but are less than1mm.This shows that the topology optimization design using OptiStruct software can meet the strength requirements of the structure.At the same time,the weight of the control arm structure is reduced by35%,which achieves the requirement of lightweight performance.
Keywords:topology optimization;OptiStruct;control arm;strength;weight reduction
0引言
随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们广泛重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义[1]。汽车控制臂是汽车悬架系统中的重要构件，它主要具有传力和导向两个功能，一方面，它将作用在车轮上的各种力传递给车身，另一方面，它会使车轮按照一定的轨迹运动[2]。因此对汽车控制臂进行优化，会积极改善汽车悬架系统的性能，从而提高整车的稳定性和舒适性。
结构优化的主要类型有尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化等[3]，前三种优化方法技术已经比较成熟[4]。拓扑优化是在结构优化中具有前景和创新性的技术。拓扑优化技术在工程设计的最初阶段为设计者提供概念设计，在给定的设计空间内到最佳的材料分布或传力路径，从而在各种约束条件下得到重量最轻的设计[5]。文中利用拓扑优化技术对汽车控制臂进行了优化设计，取得了良好的设计效果。
1拓扑优化技术简介
拓扑优化根据研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化[6]。文中对汽车控制臂的拓扑优化属于连续体拓扑优化。
连续体拓扑优化技术中常用的计算方法有均匀化方法[7]、密度方法（SIMP方法）[8]和渐进结构优化方法[9]和水平集方法[10]。变密度法是目前常用的一种计算方法。
变密度法是将设计空间中单元的单元密度作为设计变量，单元密度与结构的材料参数有关，在0~1之间连续取值[11]。单元密度为0时，表示该处的材料不重要，可以去除；单元密度为1时，表示该处的材料需要保留。这样就将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题[12]，目的是减轻结构的质量，提高结构的整体性能。拓扑优化时，应尽量使设计区域内的材料的密度为0或1[13]。
2控制臂有限元模型的建立
2.1建立有限元模型
文中利用前处理软件HyperMesh建立了某汽车控制臂优化前的有限元模型，如图1所示。控制臂及套筒均采用四面体单元，长度为5mm，共计23100个。衬套套筒内的节点采用rbe2一维单元刚性连接，以套筒的中心点作为主节点，如图1绿部分所示。控制臂和套筒的材料为铸钢，其中，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7900kg/m3，屈服极限为650MPa。
新天籁2.082
2018年第2期网址：www.jxgcs电邮：hrbengineer@163
控制臂的设计空间如图2所示。
2.2载荷工况的确立
控制臂在整车上的实际使用过程中，大约有十几种工况，受篇幅所限，只对其中三种典型工况[14]进行分析，如表1中所示。
3控制臂结构的拓扑优化
3.1拓扑优化主要参数设置
本文采用了惯性释放分析方法，它无需建立边界约束，从而能够消除约束点周围产生的集中应力，另一方面，惯性释放方法在模型计算过程中考虑了动态载荷项，因此它能使计算分析结果更加真实[15]。
依次设置拓扑优化参数。目标函数：应变能最小；约束函数：体积分数上限0.3，指定拔模方向。
3.2拓扑优化结果
图3是密度值取0.3时的拓扑优化的结果。由于制作工艺和结构形状亦是工程设计中需要考虑的重要因素，因此最后得到的控制臂如图4所示。
4控制臂拓扑优化前后结构强度对比
4.1控制臂拓扑优化前后应力对比
为了检验控制臂优化方案的强度是否满足要求，将控制臂优化后的有限元分析结果与初始结构进行对比，
各工况下优化方案与初始结构应力分布如图5~图7所示。
从3个工况下控制臂优化前后的应力对比云图中得知，结构优化后，3个工况下的最大应力都略微增大，但是均远远小于铸钢材料的屈服极限（650MPa），因此优化后的控制臂满足性能需求。4.2控制臂拓扑优化前后位移对比
将控制臂优化后的位移结果与初始结构进行对比，如图8~图10所示。
从3个工况下控制臂优化前后的位移对比云图中得知，结构优化后，虽3个工况下的最大位移都略有增大，但
表1控制臂载荷工况对比
编号载荷工况测量点F x/N F y/N F z/N M x
/
(N·mm)
M y/
(N·mm)
M z/
(N·mm)
1最大轴重a265-273854137-4103-2473
b-2652738-36-15023910-1258
2前进制动a-44-329-2777-4546-9374
b443-11-49253898-7755
3倒车驱动a144-1712-60-5465-25218-9833
b-144171277-1726923904-5113
（b）优化结构
结构与优化方案位移对比
（b）优化结构（a）初始结构（b）优化结构
结构与优化方案位移对比
83国产奥迪q3价格
网址：www.jxgcs电邮：hrbengineer@163圆园员8年第2期
圆园员8年第2期网址：www.jxgcs 电邮：hrbengineer@163
的除尘系统和磁选机配套的水气混合的清洗系统。这几种卸料装置在国内矿山卸料领域有重要的使用
价值，除了熟化-堆浸矿仓地轨卸料装置在实际工程中还未大规模使用外，其他两种卸料装置性能已经得到了验证。
本文阐述的三种卸料装置和两种配套使用系统可以为矿山卸料中遇到的实际问题提供参考价值，由于各个矿山的物料类型、表面形状、粒度组成、含矿量、含水率都有较大的差异性，实际工况下，工程人员应根据不同工况对卸料装置进行选型，提高矿山卸料的工作效率。
[参考文献]
[1]许晓山，雷泽勇，雷林，等.一种新型熟化-堆浸矿仓卸料装置[J].
机械工程师,2017(4):42-44.
[2]
黄宝茅.铀钼共生矿的综合回收[J].铀矿冶,1995(3):178-187.
[3]孙南华.拌酸熟化-堆浸-离子交换技术在衢州铀矿堆浸生产中
的应用[J].铀矿冶,1999(1):39-44.[4]钟林，雷泽勇，雷林，等.国内料仓助流清堵方式探讨[J].机械工程
师,2016(12):63-65.
[5]赵明，黄雪平，王丰雨.SSS 新型高梯度磁选机的改进[J].金属矿山,2011(5):134-136.
[6]许丽敏，何建全，陈俊明，等.SSS-I-3000立环脉动高梯度磁选机
的改进[J].现代矿业,2015(4):181-182,190.
[7]
郭小飞.永磁高梯度磁选机的研制[D].沈阳：东北大学,2009.
[8]
付海明，沈恒根.移动式卸料机除尘系统设计及应用[J].环境工
程,2004(1):41-43,4.
立体车标>wey7[9]
宋宏斌，空间振动卸料机的振动强度[J ].济南大学学报（自然科学版），1995（4）：37-41.
[10]汤玉和.SSS-Ⅱ湿式双频脉冲双立环高梯度磁选机的研制[J].金
属矿山,2004(3):37-39.
[11]蒋明辉.车辆装料扬尘控制的气流组织研究及应用[D].上海：东
华大学,2010.
[12]史新国，齐帅，程岩，等.煤仓堵塞现象与疏通装置设计[J].煤矿机
械,2013(12):142-143.
[13]陈建生，杨钢，裘宝泉.磁选机的现状和发展趋势(一)[J].矿山机
械,2009(17):75-79.
[14]杨小平，田景文，王飞跃.EVM1400型卧式振动卸料离心机在丁
集矿选煤厂的应用[J].选煤技术,2015(1):38-40,44.
[15]薛纯.HSG1400型卧式振动卸料过滤离心机在望峰岗选煤厂的
应用[J].洁净煤技术,2012(3):109-110.
（编辑明
涛）
作者简介：程新泉（1992—），男，硕士研究生，研究方向为铀矿冶装备
与核动力机械；
雷泽勇（1962—），男，教授，研究方向为铀矿冶装备与核动力机械。
通信作者：雷泽勇，lzy1086@sina 。收稿日期：2017-04-24
（上接第愿员页）
均小于1mm ，因此满足要求。
重量方面，优化前，控制臂重为4.9kg ，拓扑优化后，控制臂仅重3.2kg ，减重为(4.9-3.2)/4.9=35%。可见，拓扑优化技术对于工程结构的轻量化性能起着十分显著的作用。5
结
美宜堡语
文中通过有限元技术和结构拓扑优化理论相结合的方法对某项目汽车控制臂进行了拓扑优化，分析结果表明，利用OptiStruct 软件得到的拓扑优化结果满足结构的性能要求，重量上比优化前减轻了35%左右。由于时间和篇幅有限，文中只选择了控制臂的3个工况进行了分析，分析结果对工程实际起到了一定的参考意义。
[参考文献]
[1]祝小元，方宗德，申闪闪，等.汽车悬架控制臂的多目标拓扑优化
[J].汽车工程,2011(2):138-141.
[2]柴星.基于变密度法的悬架控制臂多目标拓扑优化设计及疲劳
寿命分析[D].西安：西安理工大学,2015.[3]黎新，乔坤，陈勇.汽车驾驶室后悬置支架的拓扑优化设计[J].机
械制造及自动化,2012(2):20-23.[4]陆金桂，肖世德.结构形状优化设计的研究[J].矿山机械,1995(9):
19-21.
[5]洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct&HyperStudy 理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社,2012:24.
[6]隋允康，杨德庆，孙焕纯.统一骨架与连续体的结构拓扑优化的
ICM 理论与方法[J].计算力学学报,2000(1):30-35.
[7]
BENDSOE M P,KIJUCHI N.Generating optimal topologies in
structural design using a homogenization method [J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1988,71(2):197-224.
[8]BENDSOE M P.Optimal shape design as a material distribution problem[J].Structural and Multidisciplinary Optimization,1989,
1(4):193-202.
[9]
XIE Y M,STEVEN G P.A simple evolutionary procedure for structural optimization[J].Computers &structures,1993,49(5):885-896.[10]ALLAIRE G,JOUVE F,TOADER A M.A level-set method for
shape optimization[J].Comptes Rendus Mathematique,2002,334(12):1125-1130.
[11]李红建，邱少波，林逸，等.汽车车身复杂钣金件的拓扑优化设计[J].汽车工程,2003(3):303-306,302.
[12]HUFENBACH W.Moderne Werkstoffe in Fahrzeug Leichtbau.
Vorlesungsskript [M].Chinesisch-Deutsches Hochschulkolleg,Tongji University,2006:11-15,30-38.
[13]杨树凯，朱启昕，吴仕赋.基于有限元技术的汽车支架拓扑优化
设计研究[J].汽车技术,2006(3):16-18.[14]李金龙.某轿车白车身刚度，强度及模态有限元分析[D].重庆：重庆大学,2015.
[15]曹萍，王卫英.基于惯性释放的微型客车车身强度分析[J].机械
设计,2011(7):46-49.
（编辑明
涛）
作者简介：金莹莹（1986—），女，硕士，助理工程师，
研究方向为汽车结构和疲劳CAE 分析及优化。
收稿日期：2017-04-25
吉利汽车优利欧84
发布评论