拓扑优化在底盘件开发中的应用

轻量化设计的拓扑优化：一款新型铸件前摆臂的开发与应用于现代汽车结构件的轻量化设计之中，前摆臂作为汽车底盘前悬架的关键传力部件，承担着支撑横向力及水平力的功能，其几何形状则直接影响整个悬架系统的性能。传统上，前摆臂采用球头销、橡胶防尘套等柔性连接方式与车身及车桥相连，有时亦会采用刚性连接。这些部件主要依靠冲压件或锻铸工艺制成，在车辆行驶过程中，前摆臂的强度满足要求对于提升车辆的行驶安全至关重要。

模型与工况设置


本文所开发的新型铸件前摆臂经过精心设计与拓扑优化，其关键参数与结构如下：


1. 单元尺寸与模型结构：


铸、锻件主体采用3mm维度的四面体单元，确保应力分布与强度分析的精确性。


球销座与3mm的立方体结构相对，确保了与其它连件的可靠连接。

摆臂轴套外管通过体焊缝连接不同结构部分，采用3mm尺寸的六面体网格，进一步优化了应力集中的位置和方向。

2. 强度分析工况：




经典工况涵盖了颠簸工况、加速工况、制动工况及转向工况，模拟了车辆在复杂行驶条件下可能遭遇的多种应力状态。

组合工况，如凹坑转向、加速转向和制动转向，强调了转向系统在不同工况下的动态响应。

极限工况，如前进冲击，对前摆臂的响应能力进行了特别验证，确保在极端条件下仍能保持可靠性和安全性。

优化设置与路径解读


在设计之初，拓扑优化的关键步骤包括：

1. 拓扑变量设定：设定尺寸约束大于10，确保优化过程在合理的结构范围内探索，拓扑空间被明确规定，以适应后续的优化算法。

2. 约束条件与目标：


前述条件下，最大主应力需控制在设计安全强度之下，确保结构不发生过早失效。


安装点的位移需符合设计值，保证连接部件之间的相对运动在可控范围内。


摆臂的抗失稳载荷需在预定范围内，以抵抗突发的外部力影响，保持结构的稳定性。


最优化目标集中在质量最小化，通过材料和结构的优化，大幅削减前摆臂的重量。


通过OptiStruct工具进行的迭代优化，最终获得了理想的拓扑结构：


优化结果与产品设计

在得到优化后的结构设计后，借助Inspire对拓扑结果进行路径解读，全面分析了优化方案在强度、重量和结构完整性上的表现。该结果经过充分的审核与验证，最终转化为详细的产品设计数模。