基于 HyperMorph 参数化的转向节概念设计
Steering knuckle conceptual design With parameter method based on HyperMorph
黄永旺 吴延龙 王华
（长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院 CAE 工程所 重庆 401120）
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
Abstract: This paper, based on "HyperMorph+HyperStudy", using parameter method to optimize the design of one car's knuckle structure. Defining the max stress and deformation as constraints, minimum mass as objective function to find out the best parameters in a limited volume. Then optimizing the design for the knuckle, to get a satisfying the target requirements of design structure.
Key Words: kunckle, parameter, constraints, optimization
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 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 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 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：
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
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
图 6 优化后结构设计示意图
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
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
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
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．
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．
