产品
摘要
传统的产品设计往往只注重其本身的功能需求，忽视产品的性能，使之可靠性得不到有效的 保证。文章利用Altair公司有限元软件HyperWorks中的solidThinking Inspire工具建立了车辆板簧支架的拓扑空间，之后进行了工况载荷的定义，最后将质量目标定义为20%，得到整个拓扑概念模型，进 而在三维设计软件中进行详细结构设计，让整个产品开发实现由功能向性能的跨越。
关键词：性能 Altair solidThinking Inspire 概念 板簧支架 拓扑空间
1前言
工程师在产品设计前，一般会在脑海里生成一个产品的雏形，进而勾勒出整个产品的大致模样，这个阶段可以称为概念创意阶段，接下来会考虑产品的功能性，满足零件的装配及使用情况，但往往对产品的性能欠考虑，使得产品在使用过程中可靠性得不到保障。如今，随着Altair公司solidThinking Inspire这样既简洁又实用的分析工具的出现，工程师不仅在设计阶段考虑到产品的外形，同时也能满足产品的性能要求，让产品设计的魅力由内而外充分体现。
2板簧支架设计背景
车辆前板簧后支架是重型车固定前板簧后部卷耳的支架，受到来自板簧方面的载荷，较容易受到破坏，所以对其强度要求很高；近年来车辆轻量化的呼声愈来愈高，所以各类铸件支架等都要求 在满足强度要求的情况下质量最小，因此在工程概念设计初期，非常有必要对其进行优化设计，以达到强度和轻量化要求。
solidThinkingInspire采用Altair先进的OptiStruct优化求解器，并拥有良好的设计概念视觉化效果。具有界面简洁、易学易用等优势，可以缩短设计周期，满足功能并减重，非常适合产品概念设计阶段提升结构性能并辅助减重。
介于以上情况，在车辆前板簧后支架概念设计阶段，为了快速获得优秀的产品雏形，利用Inspire 进行其优化工作，下面将详细介绍利用Altair公司优化工具solidThinking Inspire进行车辆板簧支架从概念创意到实际工程应用的整个过程。
3板簧支架优化设计
3.1初始设计空间
在设计开始之前，设计师通过创建模型外观边界的三维实体来构思造型，这个边界所包含的体 积我们称为设计空间，所有Inspire优化后的形态都包含于这个设计空间里。鉴于支架与车架的安装 连接关系，以及支架与板簧卷耳的位置和安装关系，车辆前板簧后支架的初始设计空间定义如图1 所示，其中六个小孔为支架与车架的安装孔，下面两个大孔为支架与卷耳的安装空位。
图1初始设计空间
3.2工况定义
由于要考虑到工程实际应用，所以必须对部件的工作状况进行定义，只有这样，solidThinking Inspire优化出来的结构才能满足实际工作需要。根据该型车前板簧后支架在车辆中的实际作用，定义了3个工况，分别为：
1）垂向静态工况
车辆在平稳或静止状态下，受力情况为：Fz=3.24t；
2）制动工况
车辆行进过程中制动，受力情况为：Fz=3.24t，Fx=0.35×3.24t；
3）转弯工况
车辆在转弯过程中，受力情况为：Fz=3.24t，Fy=0.2×3.24t；
其中：3.24t为单个板簧支架所承受的来自车辆轴端的载荷，以上下标x、y、z均为车辆整车坐 标，x正方向为车辆行驶相反方向，z正方向为车辆向上的方向，y向为车辆左右方向。
3.3约束与载荷
3.3.1垂向静态工况
与车架连接的 6 个安装孔约束其三个移动副，3 个转动副放开；与卷耳连接的两个孔各施加 1.62t 的载荷，如图 2 所示。
图 2 垂向静态工况约束与载荷
3.3.2 制动工况
与车架连接的 6 个安装孔约束其三个移动副，3 个转动副放开；与卷耳连接的两个孔各施加 Z 正向 1.62t 的载荷，另外施加 X 负向 0.35×3.24t 载荷，如图 3 所示。
图 3 制动工况约束与载荷
3.3.3 转弯工况
与车架连接的 6 个安装孔约束其三个移动副，3 个转动副放开；与卷耳连接的两个孔各施加 Z 正向 1.62t 的载荷，另外施加 Y 负向 0.2×3.24t 载荷，如图 4 所示。
图 4 转弯工况约束与载荷
3.3.4 形状控制
板簧支架过卷耳安装孔中心，在 X 方向左右对称，设置该部件在 YZ 平面两侧对称，如图 5 所 示。
图 5 X 方向对称约束
3.4 优化设计
优化分析之前，首先定义其设计空间和非设计空间，由于各个安装孔是用来固定支架的，位置 和形状基本不变，所以可优化的空间为整个初始设计空间除安装孔以外的部分，也就是图中绿色区域显示的部分，将其定义为设计空间，之后其模型颜色变为褐色，如图 6 所示。
图 6 设计空间设定
约束载荷及然后设置其优化目标，这里设置其目标质量为 20%，由于是概念设计阶段，所以材 料采用系统默认的 AISI 304，其他采用系统默认，如图 7 所示。
图 7 优化分析设置
根据之前的优化设置，在 HP Z800 图形工作站运行 8 分钟后得到优化结果，优化后的概念创意设计如 8 图所示。
图 8 Inspire 优化结果
根据之前 Inspire 优化后的概念雏形，结合支架与车架及板簧的连接关系，以及零件制造及工艺性的要求，获得最终结构创意设计如图 9 所示。
图 9 创意设计结构
4 结论
将最终的创意设计结构体现在实际工程中，与车辆的板簧及车架连接，如图 10 所示，整个创意设计过程可以用图 11 来表示。
图 10 工程实际应用
图11 板簧支架创意设计过程
通过 solidThinking Inspire 可以更加科学有效的进行结构设计，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠经验设计，仅考虑零件的功能性需求，忽视其可靠性的缺陷。通过 Inspire 的优化设计，不仅可以很好的布置其材料分布，而且节省不必要的材料应用，既提高工作效率，也实现了生产成本的降低。
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