自动控制臂优化设计.docx

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自动控制臂优化设计

2.【例19-5】自动控制臂优化设计

【问题描述】如图1为一个自动控制臂的有限元模型，材料为钢，弹性模量2x105

MPa，泊松比0.3。

工作时，A、B和C点受不同约束，D点是施力点，在三个不同工况受三个不同方向的力。

现对其进行拓扑优化，使零件用料最省，部件包括不可设计区域（模型上三个圆柱形区域）和可设计区域（除去不可设计区域的所有模型区域），优化目标为材料使用最少，且分别对部件的三个工况施力点D施加0.05mm、0.02mm和0.04mm的强制位移约束。

A

图1

【要点分析】将有限元模型导入到HyperMesh，定义材料属性、工况及优化参数，用OptiStruct软件确定优化的材料分布。

结果通过设计空间中密度值变化的云图进行查看，密度值经归一化在0~1之间。

模型前处理

打开模型

（1）在电脑开始菜单单击【HyperMesh】，进入HyperMesh工作界面，进入后默认弹出【UserProfiles】对话框，在对话框点击选择【Optistruct】如图2。

图2

（2）点击【File】-【Open】，目录中选择【carm.hm】文件，地址为刻录光盘【optistruct/carm.hm】，单击【打开】。

（3）【carm.hm】文件加载到当前的HyperMesh进程中，模型中仅有几何和网格。

定义材料和属性

（1）导航树选择【Model】选项卡，在下方【Model】栏窗口中右键，再点击【Create】，并点击【Material】，弹出窗口进行材料编辑。

（2）在【Name】空白处，输入名字【steel】。

【CardImage】中选择【MAT1】如图3，点击【Create/Edit】，在屏幕右下方【MAT1】卡片弹出。

对于【E】，输入2.0E5，对于【Nu】，输入0.3，如图4，点击【return】，完成材料定义。

图3

图4

（3）再次选择【Model】选项卡，在下方【Model】栏窗口中右键，再点击【Create】，并点击【Property】，弹出窗口进行属性编辑。

（4）创立可设计区域属性，在【Name】空白处，输入名字【design_prop】。

【CardImage】中选择【PSOLID】，点击上方【Material】，选择上述定义的【steel】如图5，点击【Create】，完成材料属性定义。

（5）同理，创立不可设计区域属性，再次在【Model】栏窗口中右键，点击【Create】，点击【Property】，在【Name】空白处，输入名字【nondesign_prop】。

【CardImage】中选择【PSOLID】，点击上方【Material】，选择上述定义的【steel】如图6，点击【Create】，完成材料属性定义。

图5图6

（6）将材料与属性赋予组件，在【Model】导航树单击【Component】展开，单击单元组件【design】，右键【edit】，在弹出的编辑栏中点击【Property】，勾选【Assignproperty】，在【Name】中选择上述定义的【design_prop】如图7，单击【update】完成属性更新。

（7）同理，在【Model】导航树单击【Component】展开，单击单元组件【nondesign】，右键【edit】，在弹出的编辑栏中点击【Property】，勾选【Assignproperty】，在【Name】中选择上述定义的【nondesign_prop】如图8，单击【update】完成属性更新

图7图8

创建载荷集、约束、力和工况

（1）本例中有四个载荷集，一个为约束，三个为力。

（2）选择【Model】选项卡，在下方【Model】栏窗口中右击，再点击【Create】，并点击【LoadCollector】，弹出窗口进行载荷集编辑。

（3）在【Name】空白处，输入名字【SPC】。

【CardImage】中选择【none】如图9，点击【create】，完成约束载荷集定义。

（4）同理，再次创建三个载荷集，名字分别为Brake、Corner和Pothole，【CardImage】均选择【none】，如图10、图11和图12

图9图10

图11图12

（5）在导航树中展开【LoadsCollector】，单击【SPC】，右键点击【MakeCurrent】，此时【SPC】加粗，表示现在是对其操作如图13。

图13

（6）首先定义约束。

从【Analysis】页面，点击【constraints】进入约束面板。

在图形区点击bushing一端的节点选中它如图14，约束【dof1】、【dof2】和【dof3】如图15，点击【create】。

图14图15

（7）同理，选择bushing另一端的节点，右边对应的自由度，勾选【dof2】和【dof3】，如图16，点击【create】。

（8）之后，点击【nodes】并从弹出的扩展菜单中选择【byid】，键入3239并敲Enter选择了ID3239的节点，只约束【dof3】如图17。

点击【create】。

图16图17

整体约束完毕后如图18，点击【return】。

图18

（9）约束完成后定义三个个力载荷。

导航树中展开【LoadsCollector】，单击【Brake】，右键点击【MakeCurrent】，此时【Brake】加粗，表示现在是对其操作如图19。

图19

（10）从【Analysis】页面，点击【forces】进入力面板。

点击【nodes】并从扩展菜单中选择【byid】，键入节点号码2699并敲Enter键。

点击【magnitude=】，输入【1000】并敲Enter。

将【switch】设为【x-axis】。

点击【create】。

在所选的节点处，出现一个箭头，指向X方向。

为了使箭头更清晰，选择【uniformsize=】，键入100，并敲击Enter如图20。

图20

（11）

（12）同理，导航树中展开【LoadsCollector】，单击【Corner】，右键点击【MakeCurrent】。

点击【nodes】并从扩展菜单中选择【byid】，键入节点号码2699并敲Enter键。

点击【magnitude=】，输入【1000】并敲Enter。

将【switch】设为【y-axis】。

点击【create】。

在所选的节点处，出现一个箭头，指向Y方向。

为了使箭头更清晰，选择【uniformsize=】，键入100，并敲击Enter如图21。

图21

（13）同理，导航树中展开【LoadsCollector】，单击【Pothole】，右键点击【MakeCurrent】。

点击【nodes】并从扩展菜单中选择【byid】，键入节点号码2699并敲Enter键。

点击【magnitude=】，输入【1000】并敲Enter。

将【switch】设为【z-axis】。

点击【create】。

在所选的节点处，出现一个箭头，指向Z方向。

为了使箭头更清晰，选择【uniformsize=】，键入100，并敲击Enter如图22。

图22

（14）整体力定义完毕后如图23，点击【return】。

图23

（15）创建边界条件的最后一步是创建三个工况。

从【Analysis】页面，进入【Loadsteps】面板。

点击【name=】，输入【Brake】。

勾选【SPC】前面的复选框。

在【SPC】右侧出现一个空白域。

点击空白处并从载荷集列表中选择【SPC】；勾选【Load】前面的复选框，并从载荷集列表中选择【Brake】。

右边【type】选择【linearstatic】如图24，点击【create】，完成工况brake定义。

图24

（16）同理，创建Corner工况，点击【name=】，输入【Corner】。

勾选【SPC】前面的复选框。

在【SPC】右侧出现一个空白域。

点击空白处并从载荷集列表中选择【SPC】；勾选【Load】前面的复选框，并从载荷集列表中选择【Corner】如图25，点击【create】。

图25

（17）同理，创建Pothole工况，点击【name=】，输入【Pothole】。

勾选【SPC】前面的复选框。

在【SPC】右侧出现一个空白域。

点击空白处并从载荷集列表中选择【SPC】；勾选【Load】前面的复选框，并从载荷集列表中选择【Pothole】如图26，点击【create】。

点击【return】完成三个工况定义。

图26

模型静力分析

（1）在设置优化过程之前，先对【carm】进行一次线性静态分析。

优化之前分析一下结构的响应，以保证约束的合理性。

（2）从【Analysis】页面进入【Radioss】面板。

在【inputfile:

】空白处后面，点击【saveas…】为输出的【OptiStruct】模型文件选择一个路径，并在【Filename】处输入模型名称。

点击【Save】。

将【exportoptions:

】切换为【all】，将【runoptions】切换为【analysis】，将【memoryoptions】切换为【memorydefault】，底部【options】保持空白如图27。

点击【Radioss】开始运算。

图27

（3）运算结束后，从【Radioss】面板,点击【HyperView】进入结果查看模块，其中包含模型及其计算结果。

从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Displacement】并在【Displacement】的下拉菜单中选择【mag】，点击【Apply】。

（4）同时在左上角【staticanalysis】上方分别选择三个工况【subcase1（Brake）】、【subcase2（Corner）】和【subcase3（Pothole）】。

（5）Brake工况时总位移云图如图28所示，施加力点位移为0.004mm，比优化要求的0.05mm小许多，因此有一定优化空间；Corner工况时总位移云图如图29所示，施加力点位移为0.002mm，比优化要求的0.02mm相同；Pothole工况时总位移云图如图30所示，施加力点位移为0.003mm，比优化要求的0.04mm小许多，因此有一定优化空间。

图28

图29

图30

（6）同理，查看应力云图，【Result】选择【elementstresses（2D&3D）（t）】，下方选择【vonmises】。

（7）Brake工况时应力云图如图31所示，图中最大应力为3.8MPa；Corner工况时应力云图如图32所示，图中最大应力为3.7MPa；Pothole工况时应力云图如图33所示，图中最大应力为1.1MPa。

图31

图32

图33

（8）从【File】下拉菜单，点击【Exit】退出【HyperView】，返回【HyperMesh】，点击【return】退出面板。

拓扑优化前处理

（1）首先创建拓扑优化设计变量。

从【Analysis】页面，点击进入【optimization】面板。

选择拓扑优化栏【topology】进入【topology】面板。

确保【create】子面板已选。

点击【desvar=】，输入【design_prop】。

点击右侧【props】并从【props】列表中选择【design_prop】，点击【select】，选择【type:

PSOLID】，如图34，点击【create】，点击【return】返回【optimization】面板。

图34

（2）然后创建体积响应。

点击进入【responses】面板。

点击【response=】并输入【vol】；将【responsetype】选择更改为【volume】，右侧保持为【total】如图35，点击【create】。

图35

（3）之后创建位移响应。

点击【responses】，点击【response=】并输入【disp】将【responsetype】选择更改为【staticdisplacement】，点击【nodes】并从弹出菜单中选择【byID】,键入2699并敲Enter，从选项中选择【totaldisp】，如图36，点击【create】。

图36

（4）定义位移约束。

选择【dconstraints】面板。

点击【constraint=】并输入【constr1】,单独勾选【upperbound】，点击【upperbound=】并输入0.05，选择【response=】，并将其设为【disp】，点击【loadsteps】，勾选【Brake】点击【select】，如图37，点击【create】。

图37

（5）同理点击【constraint=】并输入【constr2】,单独勾选【upperbound】，点击【upperbound=】并输入0.02，选择【response=】，并将其设为【disp】，点击【loadsteps】，勾选【Corner】点击【select】，如图38，点击【create】。

图38

（6）同理点击【constraint=】并输入【constr3】,单独勾选【upperbound】，点击【upperbound=】并输入0.04，选择【response=】，并将其设为【disp】，点击【loadsteps】，勾选【Pothole】点击【select】，如图39，点击【create】

图39

（7）定义目标函数。

点击【objective】，左侧的【switch】设为【min】，点击【response=】并选择【vol】如图40，点击【create】，点击【return】2次退出【optimization】面板。

图40

（8）至此优化参数全部设定完毕，在导航栏可以看到所有参数，包括设计变量、体积和位移响应、位移约束和目标函数如图41。

图41

拓扑优化及结果分析

（1）从【Analysis】页面,点击【controlcards】，点击【next】2次。

点击【SCREEN】然后点击【return】，这样【OptiStruct】就会将输出结果迭代输出到【output】窗口。

（2）从【Analysis】页面,选择【OptiStruct】，点击【saveas…】，选择保存路径并输入文件名，点击【Save】。

在【runoptions】下点击【switch】并选择【optimization】，点击【OptiStruct】开始优化分析。

（3）【OptiStruct】输出所有迭代的密度信息，也输出线性静态分析的位移和应力结果。

（4）从【OptiStruct】面板，点击【HyperView】。

打开后其中包含4个页面，页面1为优化历程结果（单元密度），页面2为工况Brake分析结果包括初始和最终位移和应力结果；页面3为工况Corner分析结果包括初始和最终位移和应力结果；页面4为工况Pothole分析结果包括初始和最终位移和应力结果。

（5）打开后默认在页面1，首先看优化历程单元密度，在左上角【results】下展开分析步列表，设置分析步为最后一步，即17步如图42。

图42

（6）从【Graphics】下拉菜单，点击【IsoValue】，下方的【Result】选择【ElementDensitie（s）】，令【CurrentValue】=0.3，如图43，点击【Apply】。

图43

（7）图形区得到密度阀值为0.3的优化图，如图44，原模型中部分位置掏空以减少体积，移动【currentvalue】下面的滑块以改变密度值的界限，可观察到拓扑优化结果中密度分布情况，即优化后材料的分别情况。

分别滑动到0.15和0.4，结果如图45和图46。

随着密度值界限的提高，去除的材料越来越多。

图44

图45图46

（8）然后查看页面2的Brake工况优化后位移云图。

在顶部工具箱点击【nextpage】图标进入页面2，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Displacement】并在【Displacement】的下拉菜单中选择【mag】，点击【Apply】如图47，力施加点位移为0.05mm与要求相同。

图47

（9）然后查看页面3的Corner工况优化后位移云图。

在顶部工具箱点击【nextpage】图标进入页面3，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Displacement】并在【Displacement】的下拉菜单中选择【mag】，点击【Apply】如图48，力施加点位移为0.02mm与要求相同。

图48

（10）然后查看页面4的Pothole工况优化后位移云图。

在顶部工具箱点击【nextpage】图标进入页面4，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Displacement】并在【Displacement】的下拉菜单中选择【mag】，点击【Apply】如图49，力施加点位移为0.03mm满足要求。

图49

（11）之后查看页面2的Brake工况优化后应力云图。

在顶部工具箱点击【previouspage】图标两次回到页面2，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Elementstresses（2D&3D）】并在下面的下拉菜单中选择【vonMises】，点击【Apply】如图50，最大应力为5.4MPa，虽然比优化前大，但整体较小。

图50

（12）之后查看页面3的Corner工况优化后应力云图。

在顶部工具箱点击【nextpage】图标进入页面3，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Elementstresses（2D&3D）】并在下面的下拉菜单中选择【vonMises】，点击【Apply】如图51，最大应力为3.5MPa，虽然比优化前大，但整体较小。

图51

（13）

（14）查看页面4的Pothole工况优化后位移云图。

在顶部工具箱点击【nextpage】图标进入页面4，从【Graphics】的下拉菜单中，点击【Contour】，【Resulttype】选择【Elementstresses（2D&3D）】并在下面的下拉菜单中选择【vonMises】，点击【Apply】如图52，最大应力为3.0MPa，虽然比优化前大，但整体较小。

图52

（15）根据上述三个工况结果，力施加点位移均满足要求，最大应力都适当提高，但对于材料来说均满足要求；此外，根据需求进行拓扑去除材料优化，满足优化要求。

新结构设计

（1）具体工程优化时，根据要求具体确定去除多少材料，对新结构进行设计完善如图53。

对新结构进行上述三个工况的静力计算，计算结果应力云图分别如图54-56，三个工况最大应力分别为6.6MPa、3.5MPa和2.1MPa，与拓扑优化结果差距在30%左右，且均满足要求。

至此完成了全部的优化过程。

图53

图54

图55图56