Снижение требований к прочности материала подрамника грузового автомобиля с независимой подвеской путем топологической оптимизации конструктивно-силовой схемы

Описано применение метода топологической оптимизации на базе конечно-элементного моделирования при проектировании высоконагруженных деталей шасси автомобиля. Даны краткие теоретические сведения о методе оптимизации, основанном на применении концепции тела переменной плотности и рассмотрены две популярные постановки задачи: с целевой функцией в виде минимума потенциальной энергии деформации и целевой функции в виде минимальной массы. Причем в первом случае ограничения целевой функции задают в виде максимально допустимого для использования процента исходного объема пространства проектирования, а во втором случае ограничения на целевую функцию задают в виде максимально допустимых перемещений и напряжений в элементах пространства проектирования. Приведен пример синтеза силовой схемы подрамника передней независимой подвески грузового автомобиля с описанием расчётной модели. Для решения задачи оптимизации выбраны пять наиболее тяжелых нагрузочных режимов работы подрамника. Показана фигура доступного по компоновке пространства проектирования для подрамника. Результат решения задачи топологической оптимизации подвержен геометрической интерпретации в виде выделения отдельных деталей и объединения их в сборочные единицы. В результате получена конструкция подрамника, близкая к ферменному типу (без элементов, работающих на изгиб и сдвиг). Для получившейся конструкции проведен поверочный расчет на прочность при тех же пяти нагрузочных режимах. Полученные результаты анализа прочности показывают невысокие действующие напряжения в деталях подрамника, что объясняется отсутствием значительных концентраторов напряжений и соответствием пространственной топологии конструкции подрамника решению задачи топологической оптимизации. Невысокие действующие напряжения позволили применить в качестве конструкционного материала подрамника недорогую сталь с невысокими прочностными свойствами. Таким образом, применение метода топологической оптимизации для создания оптимальных конструктивно-силовых схем высоконагруженных конструкций позволяет снижать требования к свойствам материала при одновременном повышении эксплуатационных характеристик изделия - прочности, жесткости и снижении массы.

топологическая оптимизация, снижение массы, подрамник, независимая подвеска, метод конечных элементов