车辆工程技术
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机械电子
0 引言
召，汽车轻量化成为设计主流，而零部件的轻量化首当其冲[1]，在维持或提高其性能的基础上，考虑轻量化设计思路在方向机支架优化设计中有十分重要的研究意义。本文以某商用车方向机支架为优化设计对象，运用有限元分析软件HyperWorks 的拓扑优化技术，得到方向机支架的拓扑骨架模型，根据拓扑骨架模型对方向机支架进行二次设计，并对优化设计合理性进行反向有限元分析验证，在满足强度、刚度要求的同时达到减重的目标。
1 方向机支架静力分析[2]
汽车方向机方向机支架通过5个螺栓固定在车架上，方向机安装在方向机支架上，方向机支架一方面承受方向机的
重力，另一方面承受来自转向摇臂的转向力，经计算，左转极限时（极限转角取46°），方向机支架承受的转向力最大。即方向机支架有限元计算模型可以简化为5点约束、2点加载的计算工况，建立好的方向机支架有限元分析模型如图1所示，对原方向机支架进行有限元分析计算，CAE 分析结果如图2
所示。
图
1 方向机支架有限元模型
图2 原方向机支架CAE 分析结果
2 方向机支架的拓扑优化设计[3]
2.1 方向机支架的拓扑优化
定义新方向机支架可优化空间和不可优化空间，如图3所示，在载荷、约束条件不变的前提下对其进行
拓扑优化，目标函数为体积最小，约束条件为应力极限小于570MPa，零件指定约束点的合成位移小于0.5mm，优化变量为可设计区域每个单元的密度，拓扑优化在经过27步迭代计算后收敛，得到如图4
所示的拓扑骨架模型。
图
3 方向机支架有限元模型设计区域划分
图4 方向机支架拓扑骨架模型
2.2 二次设计及静力分析
根据方向机支架的制造工艺特点，在CATIA 中根据拓扑骨架模型进行二次设计，得到新的方向机支架数模如图5所示。在载荷、约束条件不变的前提下，对新结构进行有限元分析计算，CAE 分析结果如图6
所示。
图
5 新方向机支维数模
图6 新方向机支架CAE 分析结果
2.3 优化前后对比分析
原方向机支架重量为16.05kg/件，材料为ZG570-310，左转极限工况下，原结构最大应力为260.4MPa，安全系数2.19，最大变形量为0.562mm。优化方案方向机支架重量为13.55kg/件，材料为QT500-10，在同样的左转极限工况下，新结构最大应力为215.4MPa，安全系数2.33，最大变形量为0.500mm。较原结构，新结构方向机支架的强度、刚度有一定的提升，同时可实现降重2.5kg，降幅约15.6%。
3 结论
本文以某商用车方向机支架为设计优化对象，基于变密度法建立了拓扑优化的数学模型，对方向机支架进行拓扑优化设计。根据拓扑优化的结果，结合制造工艺以及设计经验，对方向机支架进行二次优化设计，最后将优化前后的方向机支架进行CAE 对比分析，根据对比结果显示，拓扑优化后的方向机支架，强度、刚度略优于现状，同时可实现降重2.5kg，轻量化效果明显。
参考文献：
[1]欧阳帆.零部件轻量化是汽车轻量化的根本[J].汽车与配件,2010(10):24-27.
[2]卫艳，谷雪松，王可，等.商用车转向器支架疲劳寿命仿真分析[N].长安大学学报,2011-1(31).
[3]李楚林，张胜兰，冯樱，等.HyperWorks 分析应用实例[M].北京：机械工业出版社,2008(07):199-210.
基于HyperWorks 的方向机支架拓扑优化
赵雪松
（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）
摘 要：文章采用HyperWorks 软件，根据方向机支架的受载与典型工况，对其进行静力分析，计算强
度、刚度情况，并基于HyperWorks 拓扑优化技术，建立某商用车方向机支架的拓扑空间，通过拓扑优化手段，在满足强度、刚度的前提下，寻求方向机支架的最优降重方案。关键词：HyperWorks；方向机支架；拓扑优化；降重
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