基于HyperWorks的拨叉强度分析及拓扑优化

摘要：在产品开发过程中，对研究对象进行分析、仿真计算对提高产品的设计质量、缩短产品的开发周期起着非常重要的作用。本文基于HyperWorks平台对某SUV离合器拨叉在产品开发阶段强度计算和有限元模拟，得到了零件的应力和变形分布，并通过拓扑优化对拨叉进行改进，优化后的拨叉不仅应力大为下降，质量也有所减轻，在设计阶段就实现了轻量化，缩短了该零件的开发周期，为拨叉的设计提供了很有效的方法。
关键字：离合器拨叉,有限元分析,拓扑优化,HyperWorks,轻量化

1 引言

在某SUV车型前期项目开发过程中，对于离合器拨叉的开发，由设计人员先进行产品设计，然后利用有限元软件HyperWorks进行分析，通过分析结果来评判所设计结构是否合格。在分析基础上，通过采用拓扑优化手段对结果进行优化减重，根据优化结果，得到更优的拨叉设计方案。在概念开发阶段就着手进行结构优化有限元分析，有助于减少开发过程中的设计反复，缩短开发周期，提高产品竞争力。

2 拨叉方案设计

原始拨叉设计方案的得出是依据设计工程师经验并参考其它相关车型的拨叉设计方案得到的。原始拨叉设计方案如图1所示。拨叉重量为0.56Kg，所用材料为40MnVS，材料弹性模量为2.1e5Mpa，泊松比为0.28,密度为7.85e-9Ton/mm3,屈服强度为560Mpa。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

采用HyperMesh软件对拨叉建立有限元模型，模型采用四面体网格划分，共划分了9914个单元，11724个节点。

3.2 载荷与边界条件的确定

对于拨叉来说，主要受到分缸施加的分离力，经实际测量，该分缸给予拨叉的最大分离力为2150N，约束施加完载荷与边界条件的有限元模型如图2所示。

3.3 求解计算

将前处理好的有限元模型提交Hyperworks求解器软件Optistruct进行求解，并将结果以HyperView软件进行显示。

分析显示，拨叉在最大分离力2150N的作用下，最大应力422Mpa，最大位移1.1mm，最大应力小于材料屈服强度（560Mpa）。

4 拓扑优化

结构拓扑优化是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的方法，一般应用在产品结构设计的初始阶段，处于概念设计阶段，在这方面已有 很多研究成果[1.2],而对现有产品结构进行拓扑优化的研究相对较少[3],能实现结构多载荷工况下优化的研究很少[4] 。

拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并作适当的修改[5]。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体和具体结构进行设计。特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。[6]

拓扑优化的目标—目标函数是在满足结构的约束（V）情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量（hi）给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。[7]

拓朴优化的主要步骤：

1）． 定义拓扑优化问题。
2）． 选择单元类型。
3）． 指定要优化和不优化的区域。
4）． 定义和控制载荷工况。
5）． 定义和控制优化过程。
6）． 查看结果。

本次优化过程中的目标函数是优化区域的体积最小，而优化的区域则为拨叉主体，因约束为拨叉应力不大于350 MPa。
运行优化程序，显示优化结果。本次目标函数的优化共经历了44次迭代，在hyperview中得到的拓扑优化密度云图如图5、图6所示

5 基于优化结果的新方案分析

5.1 优化方案

结合拓扑优化分析结果，重新设计拨叉模型，依据优化结果，拨叉主体的厚度变薄，宽度变窄，在拨叉末端增加一个U型槽，新设计的拨叉模型如图5所示。

根据优化结果及制造可行性，对优化后的拨叉结构进行修改，修改后的拨叉结构如图6所示。拨叉改动量如下：①此处拨叉厚度减薄，由原来的8.7mm变为7.5mm。②该区域的厚度由原来的7.7mm变为8.5mm。③此区域厚度由原来的9.6mm变为9.0mm。④此处的U型开口再向里面延伸2.0mm。重新设计后的拨叉重量为0.45Kg。

5.2 优化方案的有限元分析结果

对重新设计的拨叉方案进行同工况的有限元分析，分析结果如图6所示。

新拨叉结构最大应力344Mpa，最大位移0.95mm，最大应力小于拨叉材料的屈服强度（560Mpa）。

5.3 优化指标分析

对优化前后零件的质量进行比较，原方案零件质量为0.56kg，优化方案零件质量为0.45kg，可见拓扑优化设计对结构轻量化改进效果明显。

5.4 试验验证

优化后的拨叉结构后续进行投产，在所有进行4.5万公里耐久试验的车里面没有一台车拨叉出现故障。同时，该SUV上市至今也未有顾客反映拨叉出现问题。说明优化后的拨叉是满足设计要求的。

6 结束语

本文通过运用HyperWorks软件对离合器拨叉进行静强度分析，评估了该件的风险，在分析基础上运用Optistruct软件对拨叉进行了拓扑优化，依据优化结果，为该拨叉的新方案提供了思路。结合有限元分析与拓扑优化，在项目开发前期，有效的减少了反复设计，缩短了开发周期。 文中的分析和优化方法也可以用于汽车上其它零部件的设计。

参考文献
[1]王显会,许刚,李守成等.特种车辆车架结构拓扑优化设计研究[J].兵工学报，2007,28（8）：903-908
[2]潘锋,朱平,孟瑾.微型货车车架的拓扑优化设计[J].机械设计与研究，2008,24（2）：87-90.
[3]李志鑫,李小清,陈学东等.基于频率约束的连续体拓扑优化方法的研究[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2008,36（2）：5-8
[4]杨志军,吴晓明,陈塑寰等.多工况约束下客车顶棚拓扑优化[J].吉林大学学报（工学版），2006,36（增刊1）：12-15
[5]刘辉等.多工况变速器箱体静动态联合拓扑优化
[6]杨树凯,朱启昕等.基于有限元技术的汽车支架拓扑优化设计研究. 设计计算研究 ,16—17
[7]吴中博,李书.基于Opstistuct的结构静力拓扑优化设计. 航空计算技术, 2006,（3）9－11