摘 要：本文以叉车后桥零件为例，本着产品轻量化的目的，应用拓扑优化技术进行了结构优化设计。在保证零件刚度最大化的前提下，对叉车后桥进行优化减重方案设计，经过两次拓扑优化和强度验证，零件减重21.77kg，减重率38.97%。结果表明，Altair公司的HyperWorks软件有着非常强大的拓扑优化功能，为精铸件的轻量化开发起着缩短周期和降成本的重要作用。
关键词：拓扑优化 HyperWorks 叉车后桥 轻量化
Abstract: This paper studies the use of topology optimization in structure and process design for the purpose of reducing the weight of a forklift truck driving axle. Design of optimized weight loss on forklift truck driving axle are done on the condition of maximizing the rigidity of products. With topological optimization and strength verification, 21.77 kg weight reduce is achieved on the parts, corresponding a rate to 38.97%. The results show that, HyperWorks plays an important role in shortening the development cycle and reducing development costs.
Key word: topological optimization；HyperWorks；forklift truck driving axle；lightweight
1 精密铸造件开发流程概述
精铸件基于其自身的工艺特点，其整个开发过程总共引入了两类CAE软件，意在开发出兼顾结构性与工艺性的实用美观产品。如图1.1所示，在产品设计阶段运用结构分析及优化的CAE软件，如HyperWorks等，其作用在于指导轻量化结构的设计及验证新结构的适用性。
图1.1 精铸件开发流程框架图
2.结构方案设计
产品结构的优化设计是以轻量化为目标的，利用经验优化-软件验证-试验验证的反复模式在一定程度上可以保证产品结构的合理性，但这种模式始终是以设计人员的经验为驱动的，我们利用拓扑优化技术作为产品设计的指导思想，在产品开发的最开始输出优化的结构布局，这种以CAE技术做优化驱动的设计模式是最为直接和有效的。
2.1产品数模
叉车后桥的装配示意图，如图2.1所示，后桥系统主要由转向桥体、转向液压缸、连杆、转向节和转向轮组成。压力油由液压缸活塞杆通过连杆推动转向节转向、使转向轮偏转，从而实现转向。转向桥安装采用中间支撑，通过缓冲垫或者轴承座连接到车价后部尾架上。零件的几何模型如图2.2所示。
图2.1 装配示意图
图2.2 原结构几何模型
2.2拓扑优化设计
结构的材料参数如表2-1所示，采用四面体单元划分，共454948个单元，叉车后桥的强度校核主要考察其抗弯强度，约束其与转向轮连接的两端，中间的支撑部位施加向下的均布载荷3.3MPa。
表2-1叉车后桥材料参数
在进行拓扑优化之前，需要定义零件的设计区域和非设计区域。图2.3是优化设计的边界条件，其中，红色区域为非设计空间，黄色部分为设计空间。零件使用时要保证其变形量不能过大，优化目标为减轻重量的同时保证刚度最大，所以优化的目标为结构的柔度最小，体积约束为体积分数0.3，同时考虑到结构具有左右对称性，添加了对称约束，利用HyperWorks里的OptiStruct功能进行拓扑优化设计。
图2.3 边界条件及拓扑优化的设计区域与非设计区域
根据以上边界条件和拓扑参数的定义，计算出如图2.4所示的拓扑优化结果
图2.4 拓扑优化结果
根据拓扑云图，我们对结构进行了再造型，重新做出了两种方案，如图2.5所示
第一种方案 第二种方案
图2.5 两种优化设计方案
比较两种结构，第一种方案的造型较接近于拓扑优化的结果，但是减重效果不好，而且在外观和工艺实施上均逊色于第二种方案，因此排除第一种设计方案。在对第二种设计方案进行静强度分析后，对比于原结构，其应力值没有明显的变化，因此考虑对第二种设计方案进行二次拓扑优化，以其质量最小为优化目标，应力值作为应力约束，其优化结果如下图2.6所示：
二次拓扑优化结果 最终产品结构
图2.6 二次拓扑结果云图及其优化结构
2.3产品结构验证
表2-2给出了原支架与两次优化方案的静应力结果对比，以及其减重情况，其静力结果如图2.7所示：
表2-2 优化前后结构性能比较
由表中的数据统计可知，在对结构进行两次拓扑优化之后，零件的质量有了大幅度的降低，减重21.77kg，减重率为38.97%，且由静强度分析的结果得知，优化后的结构应力值有略微的下降，其结构强度没有因材料的削减而降低，优化前后的应力对比如图2.7所示。
图2.7 原结构与二次优化后结构的强度对比验证
3 总结
根据经验和反复试制来生产一种实用，工艺出品率高的产品是一个周期很长的过程，我们利用拓扑优化技术和铸造仿真技术，有效的指导和验证了产品设计和工艺设计的全过程，不仅实现了产品的轻量化，满足了高工艺出品率，同时也优化出了一种具有东风精密铸造特色的，具有艺术美感的高竞争力产品。
4 参考文献
[1] Altair Engineering,”OptiStruct Manual”
[2] 孙国兵.OptiStruct在汽车零部件优化设计中的应用[C]2007Altair大中国区用户技术大会论文集
[3] 孙训方，方孝淑，关来泰，材料力学[M]高等教育出版社
[4] 王勖成，有限元单元法[M]清华大学出版社
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