論文關鍵詞: 拓撲優化 形狀優化 精密鑄造 後懸置支架 有限元分析
論文摘要: 本文主要闡述藉助於Alatir公司的Hyperworks結構優化軟體，對精密鑄造產品進行結構優化設計，且以對某汽車駕駛室後懸置支架的結構優化為例，著重介紹了拓撲優化和形狀優化在精密鑄造產品結構設計上的應用方法及功能。事實表明拓撲優化和形狀優化的聯合應用，對精密鑄造產品的結構設計起到非常關鍵的幫助作用，最後通過此軟體對優化後的產品結構進行有限元分析，驗證優化後產品結構的強度和剛度。
HyperWorks在精密鑄造產品優化設計中的應用
一、引言
在當前的汽車中，減輕設計重量和縮短設計週期是兩個突出的問題，在傳統的設計中，由於產品機構的複雜性，長期以來主要應用經驗類比設計，對產品結構作定性分析和經驗類比估算，在決定實際結構時，一般都取較大的安全係數，結果使得產品都是“傻”、“大”、“粗”，使的潛力得不到充分發揮，產品的效能也得不到充分的把握。所以傳統的汽車設計思路已經不能滿足當前設計的需要。汽車輕量化設計開始佔據了汽車發展中的主要地位，它既可以提高車輛的動力性，降低，減少能源消耗又能減少汙染。但是，簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度，甚至對產品的結構壽命也產生影響，在此情況下，有限元分析方法在汽車設計中的合理應用就得到了充分體現，經過近幾年的實踐證明，Altair公司的有限元分析技術以及拓撲優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對於一些結構複雜的汽車鑄造結構件，Hyperworks 的有限元分析技術、拓撲優化和形狀優化技術的推廣使得材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。
本文將詳細介紹利用Hyperworks的拓撲優化和形狀優化技術對東風商用車駕駛室後懸置支架進行減重優化設計的應用過程。以及如何應用Hyperworks驗證改進結構後的應力和應變情況，使該後懸置支架減重優化後的結構能夠滿足產品的使用效能和鑄造工藝性要求。
二、有限元法的概念和優化設計流程確立
2.1有限元法和有限單元的概念
有限元法又稱有限單元法，是結構分析的一種數值計算方法，它隨著的發展而應運而生，並得到了廣泛應用，目前已成為工程數值分析的有力工具。在實際工程應用中，我們首先把CAD模型分割成有限個實體或者殼單元。一般作為實體單元所適合的結構，是具有三維形狀變化的物體，不太適合棒狀、平板狀的物體。實體單元是利用3D-CAD所作好的實體模型，能夠拿來就能作有限元模型處理，這一點非常方便。 但是用實體單元製成的模型，因為節點數往往較多在分析時務必注意計算機磁碟用量和計算時間。
另外從實體單元能夠把三維圖形原封不動地適用於結構分析的模型上這一點來說，對於結構複雜的零件，採用實體單元是很好用的單元。實體單元有六面體、五面體、四面體，在用自動生成的情況下使用四面體較多。從分析精度而言，使用六面體為好，自動生成的三維形狀也有必須限制用於六面體的等等，五面體單元在評價應力時儘量不使用此方法為好。殼單元有三角形和四邊形單元，對於板單元儘量使用四邊形單元，對於實體單元儘量使用六面體單元。使用三角形或四面體單元與使用四邊形或六面體單元時相比有使結構增加剛性的模型化傾向。在本文我們所做的駕駛室後懸置支架的優化計算中，由於結構和受力狀況的複雜性，我們採用實體單元與殼單元相結合的劃分方法。
2.2 確立優化設計流程
在利用Hyperworks軟體做優化分析時，通常的流程是首先讀入CAD模型，然後劃分網格，新增邊界條件，設定優化分析模型引數。優化分析模型一般是由目標函式、約束條件、優化設計變數三個方面組成，藉助於Hyperworks軟體的OptiStruct模組，對於後懸置支架的輕量化設計，在現有的計算機條件下可以很方便的實現。首先，在輕量化分析過程中，一般選取優化設計變數為支架的體積的減少量，然後採用傳統的拓撲優化方法，將總體的應變能作為目標函式。在本次後懸置支架的優化分析中，主要採用OptiStruct模組的拓撲優化和形狀優化。首先，拓撲優化可以獲得一個最佳的結構佈局——即最佳的材料分佈；然後在這個最優結構佈局的基礎上按照實際設計需求形成一個新的設計方案，並反饋到CAD軟體中，形成新的CAD模型，最後應用更仔細的形狀優化工具，同時新增適合鑄造的約束條件，得到最有效的細節設計方案。
圖(1)代表了該後懸置支架的簡單優化設計流程，從最初的`模型匯入，以及之後的約束條件與目標函式的設定，同時包括製造工藝引數的設定，最後通過形狀優化得到的最終設計方案。
根據優化需求，將三維模型
進行非安裝部位的材料填充
匯入三維模型
圖（1）拓撲與形狀優化流程圖
三、 有限元模型建立和邊界條件確定
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