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基于HyperMorph 参数化的转向节概念设计
黄永旺 吴延龙 王华
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摘 要：本文基于 HyperMorph+HyperStudy 平台，利用参数化方法对某汽车转向节进行设计优化。 以厚度、形状作为参数化设计变量，转向节最大应力值和损伤为约束条件，质量最小为目标函数， 在规定的设计空间内优化最佳的结构分布情况，得到满足目标要求的设计结构。
关键词：转向节 参数化 约束 优化
1 概述
参数化优化是一个面向多领域多学科的优化技术方法，在不断追求产品质量，降低开发成本和 缩短设计周期的趋势下，利用概念阶段参数化进行快速优化设计是强有力的手段之一。HyperMorph 是实现参数化过程的有效手段，通过移动控制柄，可以改变域的形状。建立有效的参数模型，提交 HyperStudy 优化平台进行优化设计。
下面重点以某汽车转向节结构优化设计为例，解析参数化优化技术在工程实际中的应用。转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支撑并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。
2 基础模型分析
2.1 有限元模型描述
利用 HyperMesh 建立转向节实体有限元模型。如下图 1 所示

（图片）

图1 转向节设计区域有限元模型

2.2 基础模态分析和评价
经过多体分解得到的载荷，加载到转向节，得到在 Z 向冲击的工况下，转向节最大应力值超过 材料屈服，疲劳损伤值大于目标要求。存在可靠性风险，因此需要优化转向节结构，使其最大应力 值低于目标要求，并保证使用寿命满足设计需要。计算结果如下图 2 所示

（图片）

图 2 转向节强度、疲劳结果示意图

3 优化分析
3.1 参数化模型的建立
考虑转向节形状、倒角、和厚度等参数，利用 morphing 建立参数化有限元模型。如下图 3 所示

（图片）

图 3 转向节优化区域有限元模型示意图

3.2 优化分析和结果
参数化优化分析流程：

（图片）

对新建立的参数化有限元模型进行优化分析，选取最优一组参数。如下图 4 和图 5所示

（图片）

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3.3 优化结构设计
对优化后结果进行工程解析，得到可行性设计的结构。如下图 6 所示

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4 优化结果和基础分析结果对比
优化后的结果最大应力值和疲劳损伤值均满足目标值要求。优化后结果如下图 7 所

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图 7 优化后转向节强度、疲劳结果示意图

优化后结果与基础分析结果对比，如下表格 1 所示

表1 模态分析结果对比

（图片）

5 结论
本文采用HyperWorks软件对某车转向节结构进行参数化优化设计，得到一组最优的参数，再根据工程实际对结果解析，得到了满足目标要求的最佳结构。大大缩短了项目开发周期，成本控制方面也得到了很好的体现。
6 参考文献
[1] 张胜兰，郑冬黎,等.《基于HyperMesh的结构优化设计技术》[M]．北京：机械工业出版社．2007． 9/1/2015

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