基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计
基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化
基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化-汽车基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化朱冰李伟任淑燕王凯长治清华机械厂山西长治046000摘要：面对日益严峻的市场形势，对专用车的各项性能提出了巨大挑战，以节能为目标的轻量化设计成为各厂家所追求的目标。
针对拉臂稳定装置，以产品轻量化为目标，以Optistruct软件为平台，通过拓扑优化方法，在提高结构刚度的基础上，大幅度降低了结构重量，得到了一种新型稳定装置，为今后的结构设计提供了一种新思路。
关键词：拉臂稳定装置拓扑优化Optistruct中图分类号：U469.79.03文献标识码：A文章编号：1004-0226(2016)06-0082-041前言稳定装置是拉臂机构的重要组成部分之一，一般安装于底盘尾部，当拉臂钩取车厢时，稳定装置与地面接触，起到支撑作用。
目前我厂使用的稳定装置结构如图1所示。
该稳定装置主要由上支架、下支架、滚轮及稳定油缸组成。
当其工作时，油缸伸出，滚轮与地面接触，将载荷传递至地面；当处于非工作状态时，油缸收回到位，稳定装置附于底盘上并随车运输。
由上可知，当稳定装置不工作时，它将作为整车的负载，如果在保证结构刚度不损失的情况下，减轻稳定装置的自重，则能够提升整车性能、节约原材料以及降低成本。
因此，对稳定装置进行结构优化具有重要意义。
拓扑优化是一种数学方法，目的是在给定的空间结构中生成最优的形状及材料分布。
其优点是在不知道结构具体形状的前提下，根据己知边界和载荷条件确定较合理的结构形式，为设计人员提供最优设计方案。
在拓扑优化中，每个单元的密度值将作为设计变量，在0—1之间连续变化，材料的刚度被假想成与密度成线性关系，通过这种方法，结构的不连续问题被转化为连续的密度分布问题。
基于OptiStruct的电动汽车车身骨架拓扑优化
基于OptiStruct 的电动汽车车身骨架拓扑优化葛东东1，祝良荣1，玄东吉2（1.浙江工业职业技术学院汽车学院，浙江绍兴312000；2.温州大学机电工程学院，浙江温州325035）摘要：电动车续航里程过短是影响推广应用的主要瓶颈因素之一，而电动汽车车身结构的轻量化是提高续航里程的有效途径。
本文基于电动汽车车身骨架的静态分析，以车身骨架重量最小为优化目标，应用OptiStruct 软件进行拓扑优化设计，得到车身骨架结构的最佳材料分布方案。
最后结合Hyper⁃Works 以及通用数值分析软件Radioss 对优化前后的车身骨架进行静态分析，从应力、变形、重量等方面对计算结果进行比较。
结果显示，优化后保证了车身骨架强度和刚度要求。
车身骨架下端部分质量减轻，并大大降低焊缝长度。
关键词：车身骨架；静态分析；拓扑优化中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1001-7119（2015）09-0240-05Topology Optimization in Electric Car Body Frame Based on OptistructGe Dongdong 1，Zhu Liangrong 1，Xuan Dongji 2（1.Institute of Vehicle ，Zhejiang Industry Polytechnic College ，Zhejiang Shaoxing 312000，China ；2.College of Mechanical &Electrical Engineering ，Wenzhou University ，Zhejiang Wenzhou 325035，China ）Abstract ：The insufficient Mileage is one of the major bottleneck factors which affect the promotion and application of the electric cars.It is effective way to improve the mileage of electric vehicle that reduces the weight of an electric vehicle body.Based on the electric vehicle body frame static analysis,theminimum body frame weight as the optimization goal,OptiStruct software was used to topology optimization design,get the optimal material distribution program of body frame structure.Finally HyperWorks and general numerical analysis software Radioss were used to static analysis of body frame before and after optimization,from the stress,deformation,weight and other aspects of the calculationresults were compared.The results showed that after optimizion the body frame meet the strength and stiffness requirements.The lower part of the body frame quality decreased,and the length of the weld was ignificantly reduced.Keywords ：body frame ；static analysis ；topology optimization收稿日期：2014-07-22基金项目：国家自然科学基金项目（61203042）；教育部人文社科基金项目（12YJAZH224）；校科研项目（111000210920113177）资助。
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计金莹莹（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 OptiStructJIN 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 reduction0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]。
optistruct拓扑优化方法
optistruct拓扑优化方法
OptiStruct是一种结构优化软件，它提供了多种优化方法，其中包括拓扑优化方法。
拓扑优化是一种用于在给定设计空间内寻找最佳结构形状的优化方法，以实现最佳的性能和重量比。
在OptiStruct中，拓扑优化方法主要包括两种，基于密度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化。
基于密度的拓扑优化是一种常见的拓扑优化方法，它通过在设计空间内分配材料密度来实现结构形状的优化。
在这种方法中，初始设计空间被填充满材料，然后通过逐步移除材料来实现最优结构形状的确定。
OptiStruct使用这种方法来帮助工程师在不同载荷情况下找到最佳的结构形状，以实现最佳的性能。
另一种拓扑优化方法是基于形状的拓扑优化，它着重于优化结构的整体形状，而不是局部密度分布。
通过调整结构的整体形状，可以实现更有效的载荷传递路径和减少应力集中，从而改善结构的性能。
OptiStruct可以使用这种方法来帮助工程师设计出更加优化的结构形状，以满足特定的性能需求。
总的来说，OptiStruct提供了多种拓扑优化方法，包括基于密
度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化，工程师可以根据具体的设计需求和性能目标选择合适的方法来进行结构优化，以实现最佳的设计效果。
基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计
10.16638/ki.1671-7988.2017.16.035基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计阚洪贵，唐程光，李铁柱（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：塑料前端模块技术是关键汽车轻量化技术的之一。
文章针对某车型全塑前端模块结构，通过采用拓扑优化的方法，并结合折衷算法展开多目标的拓扑优化设计，得到全塑前端模块的最优化拓扑结构。
最终通过仿真分析验证，优化后的前端模块在满足设计目标的前提下实现轻量化。
关键字：拓扑优化；前端模块；轻量化；仿真分析中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)16-99-04Topology Optimization Design of Full Plastic Front End Module Based on OptistructKan Honggui, Tang Chengguang, Li Tiezhui( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )Abstract: Plastic front-end module technology is one of the key automotive lightweight technology.In this paper, based on the full plastic front end module, the topology optimization method is proposed by using the topological optimization method and the multi-objective topology optimization design with the compromise algorithm. Finally, the simulation results show that the optimized front end module to meet the design goals under the premise of lightweight. Keywords: Topology Optimization; Front End Module; Lightweight; Simulation AnalysisCLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-99-04引言汽车轻量化是解决“节能”、“安全”、“环保”的最有效手段之一。
基于Optistruct脱模约束函数的悬架控制臂拓扑设计
基于Optistruct脱模约束函数的悬架控制臂拓扑设计潘尚君;苏小平;陈亚林【摘要】以麦弗逊悬架下控制臂为研究对象,将Adams/car提供的悬架参数为基础在CATIA中建立控制臂原始几何模型并在Hyperworks中建立有限元模型.进行了转向及制动工况中控制臂的受载分析,并在此基础上进行了以最小加权应变能为目标基于脱模方向约束的拓扑优化.根据对优化结果的解读对控制臂进行了重新建模,并进行了模态分析验证.结果表明,该结构能有效地减少控制臂材料,保证刚度,并避免了悬架系统的共振,为控制臂设计提供了一套新的系统化设计方法,具有一定工程指导意义.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)032【总页数】5页(P94-98)【关键词】麦弗逊悬架;下控制臂;拓扑优化;脱模方向约束【作者】潘尚君;苏小平;陈亚林【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816【正文语种】中文【中图分类】U463.33麦弗逊悬架是大多数中小型轿车前悬架的首选，其下控制臂则是负责导向及传力的主要部件，同时由于现代车辆的高速化发展，乘车舒适性要求大大提高，而根据车辆平顺性特性的研究，影响车辆振动特性的一大因素即是非簧载质量。
作为非簧载质量的主要承担者之一，下控制臂的轻量化设计非常紧要。
传统的设计方法主要基于物理样机结合经验公式来开展，已经很难适应日益严格的设计要求。
目前解决这一问题的主要途径是采用拓扑优化技术，寻求材料的最优分布，设计出轻量化高强度的产品。
文献［1］研究了以悬架静态柔度和振动低阶频率为目标的控制臂拓扑结构优化，并且给出了优化后控制臂的结构;文献［2—4］均对悬架控制臂进行了结构拓扑优化，给出了优化后的控制臂结构，并对优化后的控制臂进行了强度、刚度、模态分析，在各自关心的领域阐明了优化结构的合理性。
optistruct拓扑优化原理
optistruct拓扑优化原理
OptiStruct是一种用于结构优化的有限元分析软件，它使用拓扑优化原理来寻找最佳的结构形状。
拓扑优化是一种通过改变结构的拓扑形状（即结构的布局或连接方式）来实现结构轻量化和性能优化的方法。
在OptiStruct中，拓扑优化主要通过以下步骤实现：
1. 设定设计域，用户首先需要定义一个设计域，即结构可以存在的空间范围。
这个设计域可以是整个结构的空间，也可以是结构的某个局部区域。
2. 设定约束条件，用户需要指定一些设计约束条件，例如结构的最大尺寸、最小厚度、受力范围等。
这些约束条件可以帮助OptiStruct在优化过程中保持结构的可行性和实用性。
3. 设定载荷和边界条件，用户需要定义结构所受的载荷和边界条件，这些载荷和边界条件将影响结构的性能和行为。
4. 进行拓扑优化，OptiStruct将根据用户设定的设计域、约束条件、载荷和边界条件，通过数学优化算法和有限元分析技术，在给定的设计空间中寻找最佳的结构拓扑形状。
在这个过程中，
OptiStruct会自动调整结构的拓扑形状，以满足设计要求并最小化结构的重量或成本。
5. 评估优化结果，优化过程结束后，用户需要对优化结果进行评估，包括结构的性能、重量、刚度等方面。
根据评估结果，用户可以进一步调整设计参数，重新进行优化，直至达到满意的设计目标。
总的来说，OptiStruct的拓扑优化原理基于数学优化和有限元分析技术，通过自动调整结构的拓扑形状来实现结构的轻量化和性能优化，为工程设计提供了强大的工具和方法。
汽车悬架控制臂的可靠性拓扑优化
汽车悬架控制臂的可靠性拓扑优化摘要：现阶段，全球汽车保有量已接近13亿辆，汽车造成的排放污染与能源消耗问题日益凸显。
汽车的节能减排已成为节约型社会长期发展所不可或缺的条件，大量的研究表明，汽车零部件的轻量化设计则是实现这一目标的关键技术。
悬架系统是汽车的重要组成部分，对汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性均有着直接的影响，而控制臂作为汽车悬架系统重要的传力导向部件，因车辆在各种路况正常行驶时受载情况十分复杂，为使汽车节能减排、动力增强、稳定转向和减缓轮胎磨损，要求控制臂必须具有足够的刚度和强度。
本文对汽车悬架控制臂进行静强度分析和多工况的拓扑优化分析。
关键词：汽车悬架；拓扑优化；控制臂；轻量化引言控制臂作为汽车悬架系统的重要零件之一，其主要功用为：通过球铰、橡胶衬套或液压衬套等元件连接车轮和车身；控制车轮相对于车身的运动特性。
因此，在控制臂的结构设计中，其纵向与横向刚度和质量对车辆的操纵稳定性和平顺性有重要影响。
不同车型的动力学性能、悬架总成空间布置的多样性，往往引起控制臂结构设计空间的不确定性，且由于路况和行驶工况的复杂性以及阻尼和摩擦等边界条件的干扰，极易导致所受载荷的随机性。
同时，材料的多相特征、制造工艺的差异也会引起材料属性的波动。
因此，有必要在控制臂结构进行拓扑优化设计时融合可靠性分析，定量计入不确定性因素的影响。
1拓扑优化方法1.1折衷规划法控制臂在拓扑优化阶段要考虑静态刚度特性和动态频率特性，刚度和频率属性不同，在数值上差异明显。
不同工况间的刚度值和变形方式差别很大，不同阶数的频率值也有明显差别，因此将多目标优化问题转化为单目标优化问题时，需要将各个子目标归一化处理，消除不同属性和相同属性下不同数量级的影响。
利用带权重系数的折衷规划法处理多目标优化问题，得到综合目标函数。
1.2灰色关联分析在多目标问题中，以任意一种状态下子目标的数值为一个序列，在优化某一个子目标时，序列中其它子目标会增大或者减小。
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基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control Arm
Based on OptiStruct
金莹莹
麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司上海 201807
摘 要：本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了优化前后结构的应力和位移。
结果表明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求，并实现了轻量化的性能需求，体现了拓扑优化技术的工程价值。
关键词： OptiStruct拓扑优化控制臂强度
Abstract：The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords：OptiStruct, topology optimization, control arm, strength
前言
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。
汽车控制臂是汽车悬架系统中重要的安全件和性能件，它直接影响悬架系统的性能，以至整车的行驶平顺性和操纵稳定性。
因此对控制臂的优化显得尤其重要。
结构优化通常有拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化等，其中尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟[1]，但对结构优化所起的作用有限。
拓扑优化是在工程设计的初始阶段为设计者提供概念性设计，通过拓扑优化，得到既满足约束条件又使目标函数最优的连续体布局形式，所产生的结果是全局最优解。
本文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 拓扑优化数学模型简介
目前连续体结构拓扑优化技术主要有三种，即均匀化方法、变密度方法和变厚度方法，其中，变密度法是经常用到的一种方法。
所谓变密度法就是引入一种假想的密度值在[0, 1]之间的密度可变的材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题，目的是减轻结构质量或提高结构性能[2]。
当每个单元的相对密度X i=0时，表示该单元无材料应删除（即孔洞）；当每个单元的相对密度X i=1时，表示该单元有材料应保留或增加（即实体）。
拓扑优化时，应尽量使设计区域内的材料的密度为0或1。
若以结构的柔度（变形能）最小为目标，考虑材料的体积约束（质量约束）和结构的平衡，那么拓扑优化的数学模型[3]为：
求 X=(X1, X2, …, X n)T
min: C=F T D (1)
s.t: f<(V-V1)/V0 (2) 0<X min≤X e≤X max(3)
F=KD (4) 式中，C为结构的柔度，F为载荷矢量，K为刚度矩阵，D为位移矢量，V为结构充满材料的体积，V0为结构设计域的体积，V1为单元密度小于X max的材料的体积，f 为剩余材料百分比，X min为单元相对密度的下限，X max为单元相对密度的上限。
2 控制臂有限元模型的建立
2.1 控制臂有限元模型的建立
本文利用Altair公司的前处理软件HyperMesh 建立了某汽车控制臂优化前的有限元模型，如图2.1所示。
控制臂及套筒均采用四面体单元，长度为5mm, 共计23100个。
为了准确反映结构的受力情况，将套筒内的所有节点用rbe2刚性单元连接在一起，套筒的中心点作为主节点，如图2.1绿色部分所示。
控制臂和套筒的材料为铸钢，其中，弹性模量为 2.1E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7900Kg/m3，屈服极限为650MPa。
控制臂的设计空间如图2.2所示。
图 2.1 控制臂优化前的有限元模型图 2.2 控制臂的设计空间
2.2 载荷工况的确立
控制臂在实际使用过程中，大约有十几种工况，本文受篇幅所限，只对其中三种工况进行分析，如表2-1所示。
表2-1 控制臂载荷工况
编号载荷工况测量点F x[N] F y[N] F z[N] M x[Nmm]M y[Nmm] M z[Nmm]
1 轴重a 265 -2738 54 137 -4103 -2473
b -265 2738 -36 -1502 3910 -1258
2 前进制动a -44 -
3 29 -2777 -4546 -9374
b 44 3 -11 -4925 3898 -7755
3 倒车驱动a 14
4 -1712 -60 -546
5 -25218 -9833
b -144 1712 77 -17269 23904 -5113
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。
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3.1是密度值取0.3时的拓扑优化的结果。
进一步考虑到结构和工艺等需求，最终得到的控制臂3D 结构如图3.2所示。
图3.1 控制臂拓扑优化结果图3.2 最终得到的控制臂3D结构
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4.1-图4.3所示。
初始结构优化结构
图4.1轴重工况下初始结构与优化方案应力对比
初始结构优化结构
图4.2前进制动工况下初始结构与优化方案应力对比
初始结构优化结构
图4.3倒车驱动工况下初始结构与优化方案应力对比
从三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，三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），考虑到其他恶劣工况，安全系数仍然能满足性能需求。
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4.4-图4.6所示。
初始结构优化结构
图4.4轴重工况下初始结构与优化方案位移对比
初始结构优化结构
图4.5前进制动工况下初始结构与优化方案位移对比
初始结构优化结构
图4.6倒车驱动工况下初始结构与优化方案位移对比
从三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，虽三个工况下的最大位移都略有
增大，但均小于0.1mm，仍然能满足结构性能要求。
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 结论
本文通过有限元技术和结构拓扑优化理论相结合的方法对某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35%左右。
由于时间和篇幅有限，本文只选择了控制臂的三个工况进行了分析，分析结果对工程实际起到了一定的参考意义。
6 参考文献
[1] 陆金桂等, 结构形状优化设计的研究. 矿山机械, 1995.
[2] Hufenbach W, Moderne Werkstoffe in Fahrzeug Leichtbau.Vorlesungsskript [M]. Chinesisch-Deutsches Hochschulkolleg, Tongji University, 2006: 11-15, 30-38.
[3] 吴仕斌, 基于有限元汽车支架有限元设计[D], 长春：吉林大学, 2005.。