（東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442050）

左托架是東風(fēng)商用車某車型的發(fā)動機左托架，該產(chǎn)品由我廠正常生產(chǎn)，為響應(yīng)工藝輕量化需求，對該產(chǎn)品進行減重，要求模態(tài)不得減小，不同工況的最大應(yīng)力值變化不得太大。本文利用hywerworks中的OptiStruct 模塊對其進行拓撲優(yōu)化分析，結(jié)合產(chǎn)品優(yōu)化經(jīng)驗，參考拓撲優(yōu)化結(jié)果，對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)改進，在模態(tài)和不同工況最大應(yīng)力變化不大的情況下，產(chǎn)品減重20%.

1 原產(chǎn)品CAE 分析

原模型由商用車技術(shù)中心提供鑄鐵件三維模型，如圖1 所示，左托架固定在兩側(cè)車架上，通過中間固定零件支撐發(fā)動機。

1.1 網(wǎng)格化分

為較好的反應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合理的計算精度，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在3mm.

1.2 材料屬性

左托架材質(zhì)采用QT700-8，其材料參數(shù)如表1.

圖1 原模型裝配關(guān)系示意

表1 材料屬性列表

1.3 邊界條件及載荷

1.3.1 邊界條件

左托架6 個孔面固定在車架上，發(fā)動機安裝在中間固定板上，通過左托架鏈接到車架上，加載位置在中間區(qū)域，如圖2 所示。

1.3.2 載荷工況

共有四種沖擊工況，分別是側(cè)向載荷3 300 N的工況1、前進方向載荷2 200 N 的工況2，垂直上下方向的兩個工況，具體見表2 和圖2.

表2 不同工況及載荷

圖2 安裝和受力示意圖

1.4 有限元模型

為減少分析規(guī)模，省去車架部分模型，對左托架和中間固定板進行分析，在左托架上施加約束，在中間固定板施加載荷，模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型

1.5 分析結(jié)果

各工況下的應(yīng)力和位移分布見表3 和圖3 所示。

表3 原模型CAE 分析結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)分析結(jié)果可以看到，最大應(yīng)力為工況1，最大應(yīng)力198 MPa；約束模態(tài)1 階為280 Hz，二階為369 Hz，三階為378 Hz.

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的制定

拓撲優(yōu)化是在一定的空間區(qū)域中，在滿足設(shè)計要求的情況下尋求最合理材料分布的優(yōu)化方法，采用HyperWorks 軟件中OptiStruct 模塊進行優(yōu)化，通過設(shè)定設(shè)計目標(biāo)、約束函數(shù)等實現(xiàn)左托架的材料最合理化，達成產(chǎn)品重量減輕，剛度不降低，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不升高的目的。

首先，將原模型的空間進行填充，并分成設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域兩部分。如圖4 所示，紅色為非設(shè)計區(qū)域、棕色為拓撲優(yōu)化區(qū)域；根據(jù)有限元分析結(jié)果，并結(jié)合以往的分析經(jīng)驗，拓撲優(yōu)化參數(shù)如下：1）設(shè)計變量為單元密度；2）約束條件為體積比≤0.15；3）目標(biāo)函數(shù)為柔度最小。以單元密度為設(shè)計變量，去除低密度區(qū)域的單元以去除不必要的材料，優(yōu)化得到新結(jié)構(gòu)。

圖4 拓撲優(yōu)化模型

經(jīng)過迭代計算后，得到了拓撲優(yōu)化的分析結(jié)果。選擇較合理的材料密度分布詳見圖5，圖中空腔位置為可去除材料位置，給設(shè)計者提供一種概念性的設(shè)計。

圖5 拓撲優(yōu)化結(jié)果

其次，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，參考拓撲優(yōu)化結(jié)果，還需結(jié)合產(chǎn)品的鑄造工藝、裝配的性能和設(shè)計經(jīng)驗，對產(chǎn)品進一步分析優(yōu)化，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)方案如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)三維模型對比

優(yōu)化后的優(yōu)點：1）圓孔位置可以起型，砂胎形狀簡單；2）凹坑位置更好起型。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后CAE 分析

對優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行受力狀態(tài)分析，模型和邊界條件參考優(yōu)化前，分析結(jié)果如表4 和圖7 所示。

表4 優(yōu)化后模型CAE 分析結(jié)果統(tǒng)計

對于模態(tài)而言，三階中基本保持不變或降低。說明優(yōu)化后，整體應(yīng)力和約束模態(tài)保持不變前提下（約束模態(tài)1 階為281 Hz，二階為357 Hz，三階為363 Hz），產(chǎn)品重量減輕。

從圖8a）、b）、c）、d）分別可以看出，工況1 條件下，優(yōu)化前應(yīng)力為198 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力為199.6 MPa.工況2 條件下，優(yōu)化前應(yīng)力為71.8 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力為66.5 MPa，應(yīng)力集中位置未變化（紅色顯示位置）。工況3 條件下，優(yōu)化前應(yīng)力為114 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力為82.8 MPa，應(yīng)力集中位置未變化（紅色顯示位置）。工況4 條件下，優(yōu)化前應(yīng)力為155 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力為138 MPa，應(yīng)力集中位置未變化（紅色顯示位置）。

圖7 一階模態(tài)-對比

從圖9a）、b）、c）、d）分別可以看出，工況1 條件下，優(yōu)化前位移為61×10-2mm，優(yōu)化后位移為63×10-2mm.位移最大位置未變化（紅色顯示位置）。工況2 條件下，優(yōu)化前位移為19×10-2mm，優(yōu)化后位移為20×10-2mm.位移最大位置未變化（紅色顯示位置）。工況3 條件下，優(yōu)化前位移為9×10-2mm，優(yōu)化后位移為10.2×10-2mm.位移最大位置未變化（紅色顯示位置）。工況4 條件下，優(yōu)化前位移為10.8×10-2mm，優(yōu)化后位移為12.5×10-2mm.位移最大位置未變化（紅色顯示位置）。

優(yōu)化后的分析結(jié)果可以看到，相對比原始結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力為工況1，最大應(yīng)力199.6 MPa 增加2 MPa，判定為基本不變，其他三個工況均明顯降低。

圖8 沖擊工況應(yīng)力對比

圖9 沖擊工況位移對比

表5 優(yōu)化前后結(jié)果匯總

優(yōu)化前后，產(chǎn)品重量由15.2 kg 減重到12.2 kg，減重20%，并且保持約束模態(tài)未增加，應(yīng)力也未增加。

4 結(jié)論

通過對東風(fēng)商用車某車型左托架進行有限元分析、拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了優(yōu)化后的模型，得到技術(shù)中心的認可，為技術(shù)中心提供參考和依據(jù)。產(chǎn)品重量由15.2 kg 減重到12.2 kg，減重20%.為我廠該產(chǎn)品提供了競爭力依據(jù)，并降低成本。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在產(chǎn)品減重的情況下，剛度沒有減小，約束模態(tài)基本保持不變；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，四種不同工況的最大應(yīng)力值基本均有所減小，最大減小30 MPa；為我廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化積累經(jīng)驗，提高競爭力、降低成本。