基于Hywerworks 的某车型左托架的结构优化
2020-10-15
（东风锻造有限公司铸造二厂，湖北十堰 442050）
左托架是东风商用车某车型的发动机左托架，该产品由我厂正常生产，为响应工艺轻量化需求，对该产品进行减重，要求模态不得减小，不同工况的最大应力值变化不得太大。本文利用hywerworks中的OptiStruct 模块对其进行拓扑优化分析，结合产品优化经验，参考拓扑优化结果，对产品进行结构改进，在模态和不同工况最大应力变化不大的情况下，产品减重20%.
1 原产品CAE 分析
原模型由商用车技术中心提供铸铁件三维模型，如图1 所示，左托架固定在两侧车架上，通过中间固定零件支撑发动机。
1.1 网格化分
为较好的反应产品结构和合理的计算精度，采用四面体网格，网格大小控制在3mm.
1.2 材料属性
左托架材质采用QT700-8，其材料参数如表1.
图1 原模型装配关系示意
表1 材料属性列表
1.3 边界条件及载荷
1.3.1 边界条件
左托架6 个孔面固定在车架上，发动机安装在中间固定板上，通过左托架链接到车架上，加载位置在中间区域，如图2 所示。
1.3.2 载荷工况
共有四种冲击工况，分别是侧向载荷3 300 N的工况1、前进方向载荷2 200 N 的工况2，垂直上下方向的两个工况，具体见表2 和图2.
表2 不同工况及载荷
图2 安装和受力示意图
1.4 有限元模型
为减少分析规模，省去车架部分模型，对左托架和中间固定板进行分析，在左托架上施加约束，在中间固定板施加载荷，模型如图3 所示。
图3 有限元模型
1.5 分析结果
各工况下的应力和位移分布见表3 和图3 所示。
表3 原模型CAE 分析结果统计
根据分析结果可以看到，最大应力为工况1，最大应力198 MPa；约束模态1 阶为280 Hz，二阶为369 Hz，三阶为378 Hz.
2 产品结构优化方案的制定
拓扑优化是在一定的空间区域中，在满足设计要求的情况下寻求最合理材料分布的优化方法，采用HyperWorks 软件中OptiStruct 模块进行优化，通过设定设计目标、约束函数等实现左托架的材料最合理化，达成产品重量减轻，刚度不降低，结构的应力水平不升高的目的。
首先，将原模型的空间进行填充，并分成设计区域和非设计区域两部分。如图4 所示，红色为非设计区域、棕色为拓扑优化区域；根据有限元分析结果，并结合以往的分析经验，拓扑优化参数如下：1）设计变量为单元密度；2）约束条件为体积比≤0.15；3）目标函数为柔度最小。以单元密度为设计变量，去除低密度区域的单元以去除不必要的材料，优化得到新结构。
图4 拓扑优化模型
经过迭代计算后，得到了拓扑优化的分析结果。选择较合理的材料密度分布详见图5，图中空腔位置为可去除材料位置，给设计者提供一种概念性的设计。
图5 拓扑优化结果
其次，在结构优化中，参考拓扑优化结果，还需结合产品的铸造工艺、装配的性能和设计经验，对产品进一步分析优化，优化前后结构方案如图6 所示。
图6 优化前后结构三维模型对比
优化后的优点：1）圆孔位置可以起型，砂胎形状简单；2）凹坑位置更好起型。
3 优化结构后CAE 分析
对优化后的产品结构进行受力状态分析，模型和边界条件参考优化前，分析结果如表4 和图7 所示。
表4 优化后模型CAE 分析结果统计
对于模态而言，三阶中基本保持不变或降低。说明优化后，整体应力和约束模态保持不变前提下（约束模态1 阶为281 Hz，二阶为357 Hz，三阶为363 Hz），产品重量减轻。
从图8a）、b）、c）、d）分别可以看出，工况1 条件下，优化前应力为198 MPa，优化后应力为199.6 MPa.工况2 条件下，优化前应力为71.8 MPa，优化后应力为66.5 MPa，应力集中位置未变化（红色显示位置）。工况3 条件下，优化前应力为114 MPa，优化后应力为82.8 MPa，应力集中位置未变化（红色显示位置）。工况4 条件下，优化前应力为155 MPa，优化后应力为138 MPa，应力集中位置未变化（红色显示位置）。
图7 一阶模态-对比
从图9a）、b）、c）、d）分别可以看出，工况1 条件下，优化前位移为61×10-2mm，优化后位移为63×10-2mm.位移最大位置未变化（红色显示位置）。工况2 条件下，优化前位移为19×10-2mm，优化后位移为20×10-2mm.位移最大位置未变化（红色显示位置）。工况3 条件下，优化前位移为9×10-2mm，优化后位移为10.2×10-2mm.位移最大位置未变化（红色显示位置）。工况4 条件下，优化前位移为10.8×10-2mm，优化后位移为12.5×10-2mm.位移最大位置未变化（红色显示位置）。
优化后的分析结果可以看到，相对比原始结构，最大应力为工况1，最大应力199.6 MPa 增加2 MPa，判定为基本不变，其他三个工况均明显降低。
图8 冲击工况应力对比
图9 冲击工况位移对比
表5 优化前后结果汇总
优化前后，产品重量由15.2 kg 减重到12.2 kg，减重20%，并且保持约束模态未增加，应力也未增加。
4 结论
通过对东风商用车某车型左托架进行有限元分析、拓扑优化、结构设计，确定了优化后的模型，得到技术中心的认可，为技术中心提供参考和依据。产品重量由15.2 kg 减重到12.2 kg，减重20%.为我厂该产品提供了竞争力依据，并降低成本。
产品结构优化后，在产品减重的情况下，刚度没有减小，约束模态基本保持不变；产品结构优化后，四种不同工况的最大应力值基本均有所减小，最大减小30 MPa；为我厂产品结构设计和优化积累经验，提高竞争力、降低成本。
