CAE于試驗承重臺優(yōu)化中的應(yīng)用

 1、概述

 某試驗測試臺主要用于測量汽車整車狀態(tài)下各車輪軸荷及質(zhì)心位置（圖1上）。測量時，汽車需行駛至承重臺上。由于試驗臺面與車輪輪胎接觸面積較小，極易造成試驗臺面的彎曲變形，從而影響測量精度，因此臺面在設(shè)計時必須保證具有良好的抗彎特性。

 根據(jù)測試臺的精度要求，試驗臺面的最大變形量應(yīng)小于0.5mm。試驗臺面初始設(shè)計方案（圖1下）主要由底部平板和兩側(cè)的護板兩大部分組成。底部平板主要用于承載車輪重量，選用厚度為8mm的鋼板，兩側(cè)的狹長護板則主要用于防止車輪的側(cè)向滑動。初始設(shè)計方案確定后，應(yīng)用HyperWoks強大的仿真分析能力進行結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測。

圖1測試臺及臺面

 2、有限元模型建立

 根據(jù)初步設(shè)計方案應(yīng)用HyperMesh建立試驗臺的有限元模型。考慮到臺面兩側(cè)護板的主要功能并非用于承載重量，因此模型中對其進行了簡化處理。

 由于不同車型的軸距不同，因此其車輪在臺面上的接觸位置也不同，因此在臺面上選擇了5個典型位置（圖2）進行加載。

圖2有限元模型

 （1）初始方案結(jié)果

 由初始設(shè)計方案位移云圖（圖3）可知，五個加載位置（長度方向中間對稱）中車輪在中間位置時臺面的變形最大，最大變形量為6.64mm不能滿足設(shè)計要求。

圖3初始方案結(jié)果

 （2）優(yōu)化方案

 根據(jù)試驗臺面周圍空間允許情況，考慮對臺面進行底部加強的可行方案。為了使材料分布更加合理，分析時采用HyperWorks系統(tǒng)中OptiStruct模塊下的拓撲優(yōu)化方法，進行關(guān)鍵傳力路徑的識別。

 從拓撲優(yōu)化結(jié)果可以看出，試驗臺面關(guān)鍵傳力路徑呈現(xiàn)“五橫六縱”狀態(tài)（圖4）。識別出關(guān)鍵路徑后，選取矩形空心型鋼在關(guān)鍵路徑部位進行加強，并形成工程化的優(yōu)化方案（圖5）。

圖4拓撲優(yōu)化圖

圖5優(yōu)化方案

 對優(yōu)化方案重新進行進行典型的受力分析，結(jié)果可以看出載荷施加在中間位置時，臺面的變形量最大。優(yōu)化后臺面最大變形量為0.48mm（圖6），可以滿足設(shè)計要求。

圖6優(yōu)化方案結(jié)果

 （3）優(yōu)化效果

 為了驗證優(yōu)化方案效果，設(shè)計臺面整體加厚方案，即在原有8mm厚臺面基礎(chǔ)上繼續(xù)增加厚度直至可以滿足最小變形量要求，并對總質(zhì)量和變形量進行對比。

 從表中可以看出，臺面變形達到要求時，整體式加厚需增加原有質(zhì)量的125%，而使用OptiStruct模塊優(yōu)化后的方案重量增加53%即可達到同等目標，可見材料的利用更加充分。

 3、結(jié)論

 利用OptiStruct優(yōu)化模塊中拓撲優(yōu)化功能，可快速識別關(guān)鍵傳力路徑，確定最佳的材料分布，進而確保材料的高效利用。

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