CAE技术在试验承重台优化中的创新应用与探索

1、概述

 某试验测试台主要用于测量汽车整车状态下各车轮轴荷及质心位置（图1上）。测量时，汽车需行驶至承重台上。由于试验台面与车轮轮胎接触面积较小，极易造成试验台面的弯曲变形，从而影响测量精度，因此台面在设计时必须保证具有良好的抗弯特性。

 根据测试台的精度要求，试验台面的最大变形量应小于0.5mm。试验台面初始设计方案（图1下）主要由底部平板和两侧的护板两大部分组成。底部平板主要用于承载车轮重量，选用厚度为8mm的钢板，两侧的狭长护板则主要用于防止车轮的侧向滑动。初始设计方案确定后，应用HyperWoks强大的仿真分析能力进行结构的性能预测。

图1测试台及台面

 2、有限元模型建立

 根据初步设计方案应用HyperMesh建立试验台的有限元模型。考虑到台面两侧护板的主要功能并非用于承载重量，因此模型中对其进行了简化处理。

 由于不同车型的轴距不同，因此其车轮在台面上的接触位置也不同，因此在台面上选择了5个典型位置（图2）进行加载。

图2有限元模型

 （1）初始方案结果

 由初始设计方案位移云图（图3）可知，五个加载位置（长度方向中间对称）中车轮在中间位置时台面的变形最大，最大变形量为6.64mm不能满足设计要求。

图3初始方案结果

 （2）优化方案

 根据试验台面周围空间允许情况，考虑对台面进行底部加强的可行方案。为了使材料分布更加合理，分析时采用HyperWorks系统中OptiStruct模块下的拓扑优化方法，进行关键传力路径的识别。

 从拓扑优化结果可以看出，试验台面关键传力路径呈现“五横六纵”状态（图4）。识别出关键路径后，选取矩形空心型钢在关键路径部位进行加强，并形成工程化的优化方案（图5）。

图4拓扑优化图

图5优化方案

 对优化方案重新进行进行典型的受力分析，结果可以看出载荷施加在中间位置时，台面的变形量最大。优化后台面最大变形量为0.48mm（图6），可以满足设计要求。

图6优化方案结果

 （3）优化效果

 为了验证优化方案效果，设计台面整体加厚方案，即在原有8mm厚台面基础上继续增加厚度直至可以满足最小变形量要求，并对总质量和变形量进行对比。

 从表中可以看出，台面变形达到要求时，整体式加厚需增加原有质量的125%，而使用OptiStruct模块优化后的方案重量增加53%即可达到同等目标，可见材料的利用更加充分。

 3、结论

 利用OptiStruct优化模块中拓扑优化功能，可快速识别关键传力路径，确定最佳的材料分布，进而确保材料的高效利用。