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Altair2017技术大会论文集
基于OptiStruct拓扑优化的转向器支架轻量化设计
SteeringGearSupportLightweightDesignBasedon
TopologicalOptimizationwithOptiStruct
李淑梅韦永平
（上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心重庆401122）
摘要:针对某型商用车转向器支架，本文在HyperMesh中建立了极限工况下的拓扑优化模型，并利
用OptiStruct进行优化求解计算，得到了转向器支架的最佳材料分布路径。根据拓扑优化结果，本文在
原模型的基础上进行了轻量化设计，并在相同工况下重新进行静力学分析。结果表明新设计的转向器支
架在保证结构性能要求的前提下降重明显，本文的研究方法为类似汽车产品的优化改进提供了思路和参
考。
关键词:转向器支架拓扑优化轻量化OptiStruct
Abstract:Foracertaintypeofcommercialvehiclesteeringgearsupport,thetopologicaloptimization
modelunderthelimitconditionisinestablishedinHyperMesh.Andthebestmaterialdistributionpathof
thesteeringgearsupportisobtainedbysolvingthecalculationwithOptiStruct.Accordingtothe
topologyoptimizationresults,thispaperhascarriedonthelightweightdesignonthebasisofthe
originalmodel,andanalyzedunderthesameconditions.Theresultsshowthatthenewlydesigned
steeringgearsupportisobviouslyreducedunderthepremiseofensuringthestructuralperformance,
whichprovidesideasforautomobileproductsoptimization.
Keywords:steeringgearsupport，topologyoptimization，lightweightdesign，OptiStruct
1引言
汽车的轻量化不仅可以提高车辆的动力性、降低油耗，而且能够减少成本、减轻排放污染，提高企
业的产品竞争力，因此逐渐成为汽车领域关注的焦点。如果产品结构存在设计安全系数过大的问题，传
统的做法往往是由设计人员先进行产品改进设计，然后利用有限元软件重新进行分析验证，这样不仅得
不到最佳的优化方案，而且在反复修改的过程中大大延长了产品的开发周期。本文以转向器支架的减重
设计为例，基于OptiStruct变密度拓扑优化技术，在给定的设计空间内寻找最佳材料分布和传力路径，
并根据拓扑优化结果设计新的转向器支架结构，最后通过静力学分析验证拓扑优化结果的可行性，在实
现减重的同时保证其强度和刚度等性能指标不变，为类似汽车产品的改进优化提供了思路和参考。
2转向器支架强度分析
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Altair2017技术大会论文集
2.1工况确定
针对该重型汽车，本文首先按照数模中实际硬点位置建立了转向系统多体动力学模型，不同部件按
照实际情况用运动副连接，提取杆系载荷作为有限元模型的输入。根据试验要求，转向系统大致分为原
地转向和转向限制（即用挡块阻止轮胎转动）两种工况，两种工况又因汽车转向位置的不同分为不转向，
左转向极限和右转向极限三种情况。其中原地转向时杆系载荷取决于地面转向阻力矩，转向限制时地面
转向阻力矩无限大，此时转向系统受力取决于转向器的最大输出力矩。经过载荷提取对比，本文将右转
向极限位置处转向器的最大输出力矩作为分析极限工况的输入，且假设转向系统无卸荷阀，此时转向系
统各部件受力情况最恶劣。
2.2转向器支架有限元建模
原转向器支架结构见图1，该产品重量为17.53Kg，材料为球磨铸铁，参数见表1。根据2.1工况分析，
提取右转向极限位置处的载荷输出作为有限元模型的输入，进行静强度分析，加载位置为转向摇臂与转
向直拉杆连接处的球销头中心位置，约束转向器支架与车架连接处全部自由度。
表1转向器支架材料属性
零部件材料牌号
材料密度
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