Optistruct支架拓扑优化：轻量化设计的艺术

某商用车的功能件-空滤器支架作为承载部件，单个质量达到26.8Kg（该车共有两个该类型支架），板厚达到8mm，支架如图1所示，为提高产品的竞争能力，必须对商用车进行轻量化，该支架是重点减重对象。为此基于optistruct软件，提出一种基于拓扑优化设计的轻量化设计方法。

1. 有限元建模

1）几何简化

首先为完成建模，要对几何模型的表面圆角和不影响分析的孔进行简化，以便提高计算精度和效率。

2）有限元模型建立

考虑到零件为钢板制成，本次建模使用壳单元，加强板（图2中黄色部件）与主体板件之间的焊接关系使用刚性连接模拟，支架的载荷根据实际载荷，使用分布载荷施加在承载面上，为满足极端恶劣工况要求，动载系数设置为3。最后，基于hypermesh软件的有限元模型如图2所示。

3）有限元分析

进行有限元分析，以便得到现有支架的相关性能参数，作为优化设计的约束，以便在减重的同时，保持零部件性能不下降。经分析，支架远端位移最大，垂向位移为2mm，二应力分析表明，部件设计安全裕度较大，存在较大减重空间，部分区域冗余，没有充分利用材料和相关工艺，达到材料的最优拓扑，该零件符合拓扑优化条件。

2.优化设计

1）建立设计变量

进入optistruct界面，该拓扑优化使用材料的密度作为拓扑设计变量，对承载有用的单元赋予真实的材料密度，而冗余的单元则赋以零密度。关联有限元模型的属性，将其中的密度引用为变量，变量类型为PSHELL，base thickness设置为7.99mm。

2）定义响应

本优化，以零部件的体积最小为目标，以约束远端一个节点的垂向位移小于2mm。为此建立一个名为volume的体积响应，和一个dispz的位移响应。响应可以理解为以设计变量为自变量的函数，optistruct提供了很多类型的响应可供选用。

3）定义目标函数

选择上述volume响应为目标函数，类型定义为：min

4）定义约束

建立一个名为disp的约束，在响应范围框内定义位移变动范围大于-2mm，并关联到上述的dispz的位移响应，并选择有限元模型中的相应工况。

5）设置优化卡片，设置迭代步和收敛条件。

6）选择optistruct求解器求解上述优化模型，结果可进入hyperview查看，拓扑优化结果如图4所示。

3.结果处理

拓扑优化设计空间表明，优化效果较为明显，但显然优化后的结果并不符合可制造原则，为此结合现有零件特点和加工工艺，得出改进后的轻量化设计方案如图5所示，有限元分析结果表明（如图6所示），优化后的零件性能仍保持不变，但质量降低6Kg，优化效果显著。

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