【《汽车前轴结构优化及轻量化性能研究（论文）》13000字】

汽车前轴结构优化及轻量化性能研究摘要关键词：前轴，结构优化，Solidworks,轻量化，有限元分析，拓扑优化目录 1.1研究背景和意义 1.1.1研究背景 1.1.2研究意义 21.2国内外研究现状 21.3本文研究内容 4 52.1汽车前轴 2.2Solidworks软件介绍 62.3前轴模型的建立 7 83.1有限元法基本理论 3.2有限元软件介绍 3.3有限元建模 3.4有限元分析 3.4.1工况与边界条件 3.4.2仿真结果分析 4.前轴结构轻量化设计 4.1拓扑优化模型介绍 4.2结构拓扑优化设计 4.3优化结果分析与工程诠释 216.总结与展望 25 6.2研究展望 11.1研究背景和意义随着我国的人均收入不断提高，我国的汽车保有量也在逐年攀升，汽车销量已经连续十年位居世界首位，燃油的消耗量也在不断增加，使得等温室气体的排放越来越高，空气污染越来越严重。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标，体现了中国应对气候变化的雄心和力度1]。目前，国家有关部门对能耗和排放制定了-系列标准，这对汽车节能减排技术提出了更高要求(林一博，王梓萱，2022)。对于汽车行业来说，除了加快清洁燃料的开发，提高燃料利用率也是现阶段降低汽车污染排放的有汽车轻量化在保证汽车安全性和使用性能不变的前提下，尽量减小汽车的整备质量，从而有效的降低油耗，减小排放，也提高了汽车的动力性。实验证明，如果汽车整体质量降低10%,那么燃油的消耗就能够降低6%-8%12;汽车整备质量每减少100kg,每百公里油耗量可降低0.3升-0.6升，可以由此看出二氧化碳排放量能够减少约5克/公里。汽车的整备质量占到汽车总质量的30%左右。这就意味着，在汽车空载的情况下，将会有70%的燃油消耗在车身的重量上3]。因此，对汽车进行轻量化技术的研究，可有效的降低材料消耗，降低生产成本，减少对环境的污染(冯晨昊，李映雪，2023)。从驾驶的角度来看，从这些表现可以推测出汽车实现轻量化后，汽车的动力性，操纵稳定性，以及驾驶平顺性都将大大提高。从安全性角度来看，由于汽车质量减小使汽车的惯性减小，因而汽车的制动距离也将会得到改善。2在前轴的设计改进过程中，研究人员大多采用经验公式进行计算，或通过制造样车，进行实车实验，通过对得到的实验数据进行分析，对零部件进行改进，虽然可以直观看到实验结果，但是不能够准确计算出零部件在不同工况下的受力情况，导致前轴研制周期长，产品更新缓慢，产品性能提升不明显。依此背景而定针对这些问题，通过采用CAE技术，重点研究汽车前轴在紧急制动工况，侧滑工况，通过不平路面工况三种不同工况的受力情况。对前轴进行三维模型的建立，之后进行有限元分析。经过拓扑优化，对前轴进行结构优化设计，建立优化后的前轴三维模型(高云飞，孙芷晨，2021)。而后再次对优化后的前轴进行有限元分析，基于三种工况，对其进行静力学分析，根据这一背景判断其是否达到要求，最终得到可完全替代现有前轴的轻量化前轴。由此可得到更为精确的分析结果，从而能够更有效地将轻量化方案投入到实际生产当中去，更快的进行大规模的应用。本文主要的研究对象是重卡前轴，采用有限元的方法进行静力学分析，做到质量、成本、性能三者同时兼顾，在保证前轴的强度、刚度和不降低汽车性能的前提下，对汽车前桥进行结构分析和轻量化设计，去掉前轴上存在的一些多余部分，以较少的可靠性试验数据得到更为可信的可靠性评估结果，减少设计与试验成本，为开发载重车高性能轻量化前轴提供了技术方法和理论支持。1.2国内外研究现状国外关于轻量化的研究起步较早，早在1941年，AlexanderHrennikoff在美国创造性的探索了网格方法，可以把二维弹性连续体模拟成一个桁架式框架系统。到了20世纪70年代，有限元方法已经渗透到非常多的领域，例如流体力学、热传导、电磁场、等(薛宇峰，马思敏，2021)。以美国、日本为代表的汽车发展强国，考虑到这种背景依靠强大的技术储备和科研队伍，不断在汽车轻量化的道路上探索，始终掌握着汽车轻量化的最尖端技术。目前，汽车轻量化技术主要有三大类，分别是结构轻量化，材料轻量化和制造工艺轻量化4]。图1.1为汽车轻量化技术的途径。理论上讲，只要方案的输入信息与预期一致，其输出就有望符合预期设计目标。详细而言，若初始状态与参数设定精确无误，且所构建的模型或方法体系合理，则其产出将具备较高的可靠性和有效性。这既需要输入数据的精确性，也依赖于分析结构的科学性、技术方法的先进性以及研究策3略的合理性。此外，还需关注外部环境对结果的影响，确保研究过程的可控性和可验证性，为结论的普遍接受度提供坚实基础。结构的轻量化可以通过形貌优化，拓扑优化等实现，目前主要的轻量化方法以结构轻量化为主(林子昂，张雅丽，2022)51;材料轻量化通过使用轻质新材料，例如轻型复合材料，镁铝合金，在此类条件中碳纤维等轻质高强度材料代替原有材料来实现；制造工艺轻量化是通过提升制造工艺来实现，主要应用在乘用车制造领域，现在广泛应用的轻量化制造工艺有内高压成型，激光焊接等技术。针对商用车的轻量化的研究起步较晚，但正在引起行业重视(王俊凯，赵月华，2020)。近几年，例如以戴姆勒，德纳为首的国际零部件供应商，开始对汽车前轴进行结构优化，在此特定状态下实现了矩形梁到工字梁的转变，使前轴实现减重达到3%-5%,并改进了制造工艺，确保轻量化后的前轴的外形和性能满足要求(孙浩然，郭婷婷，汽车轻量化汽车轻量化拓扑优化形貌优化尺寸优化多学科优化高强度钢激光焊接镁铝合金复合材料液压成型车桥作为底盘行驶系统的重要组成，车桥轻量化逐渐受到国内汽车行业的重视。国内关于车桥轻量化的技术研发起步相对较晚，按照这种设定行事因此在技术上同国外相比有一定差距，我国同类型产品比国外平均质量高15%左右(李明杰，陆晨曦，2020)6。针对上述方案的调试工作，本文从理论分析与实际验证两个层面展开。理论分析环节，深入探讨了方案设计的基本原理与预期目标，通过构建理论框架与逻辑推理，为后续的实验奠定了坚实的基础。接着，在实际验证阶段，本文精心设计了一系列实验，旨在检验方案的有效性与稳定性。实验过程中，严格执行了信息收集与分析流程，以保障结果的可靠性。同时，为了深入探索方案在不同情境下的适用性，本文还考虑了多种典型应4用场景，并针对每种场景对系统参数进行了调整。这一过程不仅验证了方案的正确性与可行性，也为后续的研究提供了有价值的参考。从国内汽车轻量化研究现状来看，与国外的差距具体表现在以下几个方面(陈若愚，吴雨(1)设计观念陈旧。缺乏创新性思维和优化路径的指导，并且对制造新工艺的研究相对落后，不能够将轻量化产品很好的呈现出来。(2)对新技术的开发动力不足。因为现有的制造工艺无法大规模量产轻量化产品，导致其无法大规模应用，使得研发人员的研发动力不足。(3)过分依靠以往经验。在此情势的作用下只考虑汽车零部件在静态下的强度和刚度要求，然后就主观性的修改零件的参数，这样的轻量化方法并不能够取得突破性效1.3本文研究内容本文首先介绍了汽车轻量化的研究背景以及对汽车轻量化的简单介绍，指出了汽车前轴轻量化对于提升整车性能，降低排放和经济效益的提升具有重要意义。通过Solidworks建立汽车前轴三维模型，而后导入Hyperworks有限元分析软件中，建立有限元模型，根据汽车前轴多种行驶工况施加载荷，进行仿真分析。然后根据仿真结果对前轴进行拓扑优化，最终对汽车前轴进行结构优化设计并验证其是否满足使用要求。以下(1)通过Solidworks建立汽车前轴三维模型，为有限元分析做准备；(2)分析前轴的行驶工况，计算在不同工况条件下的受力情况；(3)将前桥三维模型导入Hypermesh中，进行有限元网格划分，定义材料属性，建立前轴有限元模型；(4)运用Hypermesh对汽车前轴进行静力学分析，生成位移云图和应力云图；(5)运用OptiStruct对前轴进行拓扑优化，根据拓扑优化结果重新设计轻量化前轴，建立轻量化前轴三维模型；(6)再次将轻量化前轴导入Hypermesh中，重新建立有限元模型，进行静力学分析，验证其强度和性能。52.1汽车前轴汽车前轴是汽车前桥重要的零部件之一，前桥总成主要包括前轴、转向节、主销以及轮毂等，其主要结构示意图如图2.1所示(张玉峰，李晓婷，2022)。依据文献7的分类汽车前桥属于转向从动桥，其中汽车前轴在转向从动桥中主要的作用是用来承受载荷。通常转向桥位于汽车前部，所以转向桥也被称作前桥。转向桥的作用，就是能够使车轮能够转动一定角度，基于本文的研究基础我们对这种情况予以了审视从而实现车辆的转向。在汽车行驶的不同工况当中，前轴不仅会受到垂直载荷作用，例如在紧急制动工况和侧滑工况下，还要受到纵向力与侧向力以及由力造成的力矩对其的作用(王泽民，范嘉莹，2021)。为了保持研究结论的可复制性和可推广性，本次研究采取了多项措施以确保研究的严谨性和普遍性。通过严格遵循了科学研究的方法论原则从研究设计到数据收集、分析，每一步都力求标准化和透明化。在研究设计阶段明确界定了研究目标和变量确保研究的逻辑性和可操作性。同时采用了多种数据来源和收集方法，以增加数据的多样性和代表性，从而避免单一数据来源可能带来的偏差。通过详细的研究日志、数据收集和分析流程的描述，以及清晰的研究结果图表，都有助于研究结果的6推广。前轴作为前桥的主要承重零部件，一般有管式与锻打式两种结构，在此特定情境下事实昭然若揭在前轴两侧均有一个呈拳形的加粗部分当作装配主销的地方。前轴中间部位之所以相对两侧向下一定的位置，是为了降低整个重卡的重心，能够在行驶时更加平稳并具有更好的视野。在中间部分的两侧是板簧支座面，用来安装钢板弹簧及其他小本文以Solidworks三维图形建模CAD软件为应用软件，进行汽车前轴的参数化设计和改进工作。Solidworks是由达索公司研发的一款机械设计软件。是世界上第一款基于Windows开发的三维CAD系统，从1995年推出第一套Solidworks三维设计软件开始，以其优异的性能、良好的操作性和与其他系统的兼容性，可以由此看出为广大用户提供了极大地便捷，提高了设计效率，获得了市场的广泛认同和广大机械设计者的一致好评(沈浩然，朱怡婷，2019)8]。随着计算机技术的不断发展，SolidWorks软件也不断推陈出新，目前已在航空航天、机车、机械、国防、交通、电子通信、医疗器械等领域广泛应用[91。SolidWorks可以根据零件参数、特征和约束进行三维实体的建模，并且通过建模生成的零件和装配体可以生成二维零件图和装配图，从这些表现可以推测出并且尺寸和约束都是一—对应的关系(曹云飞，方文洁，2023)。这一结果与已有文献的相似性，不仅验证了前期研究的正确性，还进一步突出了该领域研究的连续性和累积性。它提醒本文，科学研究是一个不断迭代、逐步深化的过程。基于这一发现，本文可以更有信心地推进后续研究，探索新的假设、设计更精细的实验，以期在该领域取得更加突破性的进展。除了建模，SolidWorks还可进行运动仿真、数控加工，有限元分析及拓扑优化等功能，为机械设计领域提供了非常强大的应用基础。SolidWorks的功能特点主要体现在以下几(1)可视化界面，操作简单。SolidWorks是基于Windows平台开发的三维建模软件，其不仅具有Windows系统的常用功能，依此背景而定而且适用范围广，并且SolidWorks全面支持中文界面，对于初学者来说十分友好，简单易上手。(2)装配体设计。SolidWorks中的三维装配功能可以按照各个零件之间的位置关系进行约束装配，生成的装配体可以检查其静，动态干涉情况，设计者可以随时进行改进设计。7(3)简单的工程图转化。SolidWorks可以根据三维模型自动生成二维工程图，并且具有关联性，当零件三维图或装配体的某一特征发生改变时，对应的二维工程图也会发生改变(郑昊天，魏琳娜，2021)。在工程图中，可对各种尺寸进行标注，还可生成各种剖面图以及局部放大图。(4)丰富的设计功能。SolidWorks是以特征建模为特色的软件，先进行草图设计，通过拉伸、放样、旋转等命令生成零件模型。还可进行曲面建模，钣金设计等复杂曲面设计，它集成了CADICAM\CAE功能，根据这一背景能够为机械的研发设计和制造生产提供全面的解决方案。(5)接口丰富，可拓展性强。SolidWoIGES、STEP等格式的文件，能够和其他CAD软件，例如UG、CATIA、PRO/E等进行同时提供了上万个API函数用定制开发所需的功能，二次开发支持VC,VB等多种程序语言，可以适应不同用户的开发基础[11。□2.3前轴模型的建立本文针对某款商用车前轴进行轻量化研究。该前轴采用整体式结构，由拳部、弯脖、板簧座、工字梁四个部分组成(陈思远，李晨曦，2020)。考虑到这种背景前轴的拳部通过主销与转向节相连，板簧座用来固定钢板弹簧。由于前轴的上方布置了发动机，前轴的工字梁和板簧座均位于主销下方，起到了降低重心的作用。某款商用车前轴的结构示意图如图2.2所示。在进行前轴建模时，考虑到后期建立有限元模型，防止一些不重要的部分影响网格质量，进而影响计算结果，在此类条件中所以对前轴的三维模型进行了简化处理(张逸凡，王静怡，2023)。同时，简化后的模型依然要较为全面的反映出前轴的实际情况，避8免因过度简化而导致最终结果失去真实性。在后续的研究中会对已有的研究成果进一步从不同的角度进行优化，会综合考虑理论框架、方法学改进、实证研究的深化以及跨学科的合作。首先，在理论框架方面，将致力于整合最新的学术观点和理论进展，以提供更为全面和深入的理解。其次，针对方法学上的不足，研究人员计划引入或开发更先进的技术与工具，以提高数据收集、处理及分析的精确性和效率。简化后的前轴的三维模型如图2.3所示，在此特定状态下前轴部分关键部位截面如图2.4所示(徐俊宇，赵月婷，该前轴采用42CrMo铸造而成，SolidWorks软件可定义零件的材料属性，也可计算零件的质量，经计算，该前轴的质量为95.55Kg。按照这种设定行事前轴作为重要的承载部件，对力学性能要求极高(郭文昊，刘梓晴，2022)。从上可以可以看出该方案相比于其他方案具有更好的性价比，同时它在安全性方面的加强也是不可忽视的一点。增强的数据保护措施和隐私管理功能能够有效防止信息泄露，确保用户的个人信息安全。因此，93.1有限元法基本理论在工程实际中由于物体本身的结构不规则，实际运行中遇到的工况较多，导致作用在其上的载荷和约束较为复杂，以及某些问题具有一些非线性特征使其往往很难用数学公式模拟其上的边界条件，在此情势的作用下因此对于结构的分析是往往是很复杂的(朱晨阳，赵琳琳，2021)。工程人员希望能够用一种方法来尽可能还原问题的各种实际状况，尝试寻求近似的数值解。因此，人们在广泛吸收大量力学理论和现代数学的同时，基于本文的研究基础我们对这种情况予以了审视依靠飞速发展的计算机技术来模拟各种现实状况，以此来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。目前在工程技术领域上常用的数值模拟方法主要有有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法有限元法是通过对一个零件三维实体划分成许多“单元格”,每个单元格都具有不同的形态，这些不同形态的单元格结合成整个零件实体，即这是一个由合到分，再由分到合的一个过程(黄泽宇，孙静宜，2023)。在此特定情境下事实昭然若揭如果在划分单元格的尺寸足够小，其尺寸可忽略的话，可将单元格视为一个节点。通过对每个节点进行受力分析，然后将所有节点的受力进行整合，得到整个零件的受力情况13]。3.2有限元软件介绍HyperWorks是由美国澳汰尔(Altair)公司开发的一款CAE软件，内部包含了有限元分析和结构优化的各种工具，因其具有强大的性能和高度的开放性，得到了越来越多工程师的认可。该软件配备18大功能模块，可以由此看出可用来解决不同种类的实际工程问题，很好的满足当前CAE发展趋势[14]。其顶尖的有限元前、后处理工具，在很大程度上提高了工程师的工作效率(周子豪，李思悦，2021)。这一优化设计的结果源自于对现有状态的细致解析以及对已有资源和技术的全面应用。相比于传统的处理方式，本方案在诸多核心领域展示了突出的优势。首先，通过采取更为先进的设计理念，它实现了工作效能的提升和错误概率的下降，从而极大提高了任务完成的概率。再者，从节省成本的角度看，新的解决方案有效地减少了运作和维护的成本，减少了不必要的资源消耗，提高了经济效益。此外，它还加强了系统的通用性和扩展性，使系统能够更灵活地适应未来的发展趋势和需求变动。其中HyperMesh为前处理器，能够建立各种复杂的有限元模型；OptiStruct内含有限元求解器，是非常先进的结构优化设计工具，从这些表基于Hyperworks的前处理软件Hypermesh强大的网格划分能力，因此选用将SolidWorks生成的三维模型导入Hypermesh中，由于模型结构较为复杂，导入的某些几何数据出现了丢失的情况，须要对模型进行适当的几何修复和几何清理。修复完成后，进行2D网格划分(王翔宇，李璐瑶，2019)。2D网格划分完成之后，必须进行网格质量检查，将不合格的网格进行调整修复，依此背景而定直到所有2D网格质量全部合格。之后再进行四面体网格划分。虽然六面体网格计算误差和计算量相较于四面体网格都比较小，但是几何结构必须是映射体，而前轴的形状复杂，虽然理论上可以形成映射体，但是难度较高，且六面体网格在结构较为复杂的情况下容易产生错误，依此背景而定而四面体网格已经能够满足计算要求，因此本次计算采用了四面体网格(彭子轩，王怡然，2020)[161。最后生成170503个节点、827262个单元，网格质量检查合格，网格划分好之后的有限元模型如图3.1所示。3.4有限元分析汽车在实际行驶过程中，会遇到各种状况，前轴不仅会受到垂向力，还会受到纵向力和侧向力，致使前轴受力情况比较复杂，根据文献[171,根据这一背景将汽车行驶过程中遇到的危险工况分为三种，分别是侧滑工况、通过不平路面工况、以及紧急制动工况。(1)紧急制动工况当汽车在满载的情况下高速行驶时进行紧急制动，汽车会向前倾，质心前移。这时前轴所承载的质量将大于静止状态下的承载质量。在进行设计优化时，重点放在了成本效率和解决方案的普适性上，从而相对于初始版本，从多个角度进行了升级。首先，通过去掉多余的工序、选择更高性价比的替代方案，大幅削减了实施成本，使得方案更显经济性。与此同时，为了扩大其推广范围，在设计过程中全面考虑了不同地域和背景下的实用性，确保该方案在多样化的环境下能够稳定工作，便于他人模仿应用。并且由于惯性，板簧座还会受到来自纵向方向的力(李宇航，王雪儿，2023)。考虑到这种背景设左右板簧座各受到垂向力为Z₁1、Z₁r,受到纵向力为X₁1、X₁r。此时前轴的受力情况如图式中，G为前轴的静满载轴荷；m₁为紧急制动时质量分配系数，取m₁=1.5;φ为路面的附着系数，取φ=0.8。(2)侧滑工况当汽车在高速行驶的状态下，假设其突然向右转向，则汽车会受到一个较大的横向横向力为Y₂₁、Y₂r,且左右板簧座所受垂向力的关系为Z₂L>Z₂r。在此类条件中此时前轴的受力情况如图3.3所示。当汽车要向左发生侧翻时，右侧轮胎即将离开地面，处于侧滑工况最危险的极限状态。此时Z₂i=G,Z₂r=Y2r=0。作用于左侧板簧的横向力Y₂₁为(杨其中，φ为滑动附着系数，取φ=1.0。(3)通过不平路面工况前轴会遭受很大的冲击，此时可忽略其他方向的作用力，只考虑垂向载荷的作用(刘明度，在进行设计时都选用了比较大的载荷，本文中某重型汽车前轴的静满载为7T,各载荷紧急制动根据前轴工况与不同工况下的极限状态，结合实际运行情况，在Hypermesh中设置前轴在3种工况下载荷及约束，在此情势的作用下具体的设置如下(周晨风，吴洁文，(1)紧急制动工况。约束前轴两端的主销孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的转动自由度；在左右两个板簧座面上施加两个垂向力Z₁1、Z₁r;在板簧座螺栓孔处施加八个纵向的力X₁/4。(2)侧滑工况。约束前轴两端的主销孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的转动自由度(郭泽宇，赵子瑶，2021);在左侧板簧座面上施加一个垂向力Z₂1;在左侧板簧座螺栓孔处施加四个纵向的力Y₂₁/4。(3)通过不平路面工况。基于本文的研究基础我们对这种情况予以了审视约束前轴两端的主销孔x、z方向的位移自由度，y、z方向的转动自由度；在左右两个板簧座上施加两个垂向力Z₃I、Z₃ro已知该前轴所用的材料为42CrMo,毛坯经过淬火和高温回火处理，前轴的材料特性如表3.2所示。按材料特性的数据在Hypermesh中设置材料常数并赋予单元材料属性，之后提交OptiStruct进行运算。本文参考已有方法制定了计算框架，并对其进行简化，以提升其实用性和可行性。通过深入解析现行方案，找出并移除了那些复杂而不必要的步骤，优化了整个流程，建立了一个更为简单而高效的计算模型。这一举措不仅减少了所需资源，而且缩短了处理时长，在保留原有性能的同时，使方案更容易被采纳和推广，引入了若干验证和质量保障措施。弹性模量泊松比ε密度屈服极限抗拉强度当汽车处于紧急制动工况时，在此特定情境下事实昭然若揭前轴的应力云图及位移变形云图如图3.5与3.6所示。在此工况下，由于承受纵向力的板簧螺栓孔为受力最大部位。所以最大应力也出现了前轴板簧螺栓孔的周围，应力最大值为531.7MPa。最大变形量发生在工字梁的中间，最大值为8.35mm。应力与位移均呈左右对称分布(张宇杰，YXSubcase1(zhidong):StaticAnYX皂Subcase1(zhidong):Static当汽车处于侧滑工况时，依此背景而定前轴的应力云图及位移变形云图如图3.7与3.8所示。该工况下，由于左右板簧座载荷不对称，因此应力分布也不对称(黄逸凡，张雅婷，2023)。最大应力出现在轴颈部位，最大值为139MPa,最大变形量主要位于左侧板簧，最大值为0.63mm。AnalysissystemSubcase2(cehua):StatAnalysissystemYXSubcase2(cehua):StaticAnalysis汽车通过不平路面时，前轴的应力云图及位移变形云图如图3.9与3.10所示。由于该工况下，汽车前轴只受垂向力的作用，根据这一背景且左右板簧座受力大小相等，因此应力与变形均呈对称分布(王宇翔，孙婧瑶，2019)。最大应力部位出现在主销孔，最大值为345MPa,工字梁中间部位变形量较大，最大变形量为1.55mm。Subcase3(buping):StaticAnalysis:FrameAnalysissystemYSubcase3(buping):StaticAnalysis:Frame根据以上结果可知，前轴在紧急制动工况下受到的应力和位移最大，最大应力为531.7MPa,最大位移为8.35mm,考虑到这种背景而前轴所用材料的屈服极限为930MPa,远小于其材料的许用应力，该前轴的可轻量化的空间很高(陈云哲，陆小雪，2021)。4.前轴结构轻量化设计4.1拓扑优化模型介绍法的设计变量为相对密度，其变化范围在0~1之间，相对密度与材料的弹性模量相关。处相对密度趋近于0时，该处的弹性模量也为0,代表此处材料可去除；文中阐述的数性。当某处相对密度趋近于1时，该处的弹性模量为材料本身的弹性模量值，代表此处针对前轴的拓扑优化，需要定义其设计空间，设计空间的定义如图4.1所示，将板图4.1定义设计空间之后，将蓝色区域创建为设计变量，设计变量的定义如图4.2所示；约束条件设置为承受最大应力650MPa,约束条件的设置如图4.3所示(朱俊凯，许欣瑶，2020)。desvar=topopropsmaxmemboff●最后定义设计目标，在此情势的作用下本次设计的目的是汽车前轴轻量化，因此选择了在满足约束条件下，将质量最小化，设计目标的设置如图4.4所示。minmin在完成上述优化设置后，此时已经可以进行优化计算了，但是为了计算出的结果更加规整，又施加了一些对称约束，基于本文的研究基础我们对这种情况予以了审视使拓扑优化的结果左右对称。完成所有设置后，提交OptiStruct求解器进行求解计算(李轩阳，4.3优化结果分析与工程诠释本次优化得到的目标迭代曲线如图4.5所示，由图4.5我们可以得知，本次优化经过了35次迭代计算，并在后期逐渐趋于稳定，可以由此看出体现出了较好的收敛性，也可证实此次的优化设计较为可行，优化结果较为准确(陈俊宇，赵雨晨，2023)。得到的拓扑优化密度云图如图4.6所示。图中，红色部分的表示相对密度接近1的高密度区，颜色越深越能凸显出该部位的重要性，从这些表现可以推测出不可去除材料(沈子昂，李慧瑶，2020);蓝色部分表示相对密度接近0的低密度区，表明该部位可优化的空间较大，可以去除或者减少材料。从对前轴的优化结果可以看到，在工字梁以及弯脖部位蓝色区域较大，说明这两个部位的相对密度较小，有较大的优化空间(贾旭东，吴怡瑶，2021)。依此背景而定考虑到前轴作为轴类零件，需要承受扭矩，因此工字梁的上部和下部不宜进行过多的优化。基于前轴在正常行驶中的实际情况以及考虑到优化后对前轴结构的美观的影响，故在前轴工字梁中间进行对称镂空，得到3个孔，并进行平滑处理，以防产生应力集中现象，考优化后的前轴仍可采用常规的锻造工艺进行加工，工字梁中间的镂空设计可通过终锻成形的工艺实现。初步设计出的优化后前轴的三维模型如图4.7所示。对前轴进行优化设计后，经计算前轴的质量由原来的95.55Kg减轻到了90.41Kg,质量在原有基础上减轻了5.14Kg,所减去的质量为原来前轴质量的5.4%。5.前轴结构优化性能分析将优化后的前轴三维模型再次导入Hypermesh中建立有限元模型，设置前轴在3种工况下载荷及约束，进行静力学仿真。当汽车处于紧急制动工况时，优化后的前轴的应力云图及位移变形云图如图5.1与5.2所示(高云飞，孙芷晨，2021)。优化后的前轴应力最大部位和变形量最大部位大致相同，在此类条件中但是数值有所增加，优化后的前轴轻量化后最大应力为788MPa,低于前桥所用材料的屈服强度930Mpa,不会影响前轴的力学性能。最大变形量为9.40mm。XzSubcase1(zhidong):StaAnalysissystemYXzSubcase1(zhidong):Sta当汽车处于侧滑工况时，优化后的前轴的应力云图及位移变形云图如图5.3与5.4所示。在此特定状态下优化后前轴的应力分布与变形量分布与优化前对比发生了一些变化，应力最大部位出现在了工字梁中间镂空结构，最大应力为451.4MPa,最大变形量为0.845mm。AnalysissystemYXSubcase2(cehua):StaticAnalysis:Frame25AnalysissystemYXZSubcase2(cehua):StaticAnalysis:Frame25当汽车处于通过不平路面工况时，优化后的前轴的应力云图及位移变形云图如图5.5与5.6所示(薛宇峰，马思敏，2021)。按照这种设定行事优化后前轴应力分布与变形量分布与优化后前大致相同，优化后最大应力为695MPa,最大变形量为1.65mm。ElementStresses(2D&3DSubcase3(buping):StaticAnaAnalysissystemYXSubcase3(buping):StaticAnalysis:Frame25相比优化前，优化后的前轴在各个工况下的应力均有所提高，最大应力发生在紧急制动工况下，为788MPa,在此情势的作用下未超出材料的屈服极限，静强度设计满足要求。优化前、后前轴在各工况下应力与变形量结果统计如表5.1所示。前轴优化前后，应力变化量最大为350MPa,发生在通过不平路面工况下，变形量最大量为1.05mm,发生在紧急制动工况下，满足前轴刚度设计要求。力大应力量大位移紧急制动6.总结与展望本文运用有限元分析和拓扑优化技术，开展了汽车前轴结构分析与轻量化设(1)通过分