计算机仿真技术在航空断路器
优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用 优化的数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出基于该模型的 佳设计方案的一种设计方法。现在，CAE技术中一个非常重要的组成部分——结构优化技术已经发展成熟并成功地被用于产品设计，它正在改变传统的产品设计流程。在概念设计阶段，优化技术可以对产品所需性能全部予以考虑，在给定的设计空间下找到 佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可以直接给出产品改进方案，而不仅仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品。这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的产品设计过程ODDP（Optimization Driven Design Process），如图1所示：
图1 优化驱动的产品设计流程
在当今汽车工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个突出的问题。汽车轻量化设计开始占据了汽车发展的主要地位，它既可以提高车辆的动力性、降低成本，又能减少能源消耗、减少污染。但是，简单的汽车轻量化设计却是一把双刃剑，它在减轻汽车重量的同时，也牺牲了车辆的强度和刚度，甚至对产品的结构寿命也会产生影响。在此情况下，经过近几年的实践证明，Altair公司的有限元分析技术以及优化技术在汽车行业获得了非常成功的应用。特别是对于一些结构复杂的汽车零件，HyperWorks的有限元分析技术、拓扑优化技术和形状优化技术使得很多材料的潜能及铸造的优势得到了充分的发挥。
转向节（knuckle）是汽车的重要安全零部件，全世界的行业人士都极其重视其安全特性。转向节的加工分为毛坯制造和成品机加工，毛坯制造既可以采用锻件形式，也可以采用铸造形式，杆部、法兰盘和叉部等部分则采用成品机加工。该零件在原始设计中，由于整个机构的复杂性，对产品的性能未能充分把握，在进行设计时只能作定性分析和类比估算，确定实际结构时，选择的安全系数过大，致使设计出来的产品结构过于笨重、粗大。另外，由于对实际的受力点未能完全把握，导致结构材料分布不够均匀，铸造工艺性较差。
2 基础模型有限元模型建立及分析
转向节利用衬套及螺栓与车身相连，通过法兰盘的制动器安装孔进行定位。由于整车有限元模型的计算量太庞大，导致计算时间过长，因此仅选取转向节模型与整车相连的五个节点在整车工况下的支反力作为输入载荷，单独对转向节模型进行优化分析。
2.1 有限元模型建模
利用HyperMesh对CAD模型进行有限元模型的建立。转向节采用实体单元TERTA 4进行网格划分，衬套采用CBUSH单元进行模拟，将衬套中心点与周围转向节上的结点用REB2单元进行连接。原始结构如图2所示，有限元模型如图3所示，有限元模型信息如表1所示：
图2 转向节几何模型 图3 转向节有限元模型
表1 转向节有限元模型信息
2.2 材料属性
计算中所使用的材料参数如表2所示：
表2 转向节材料参数
2.3 边界条件
转向节通过三个衬套和两个螺栓与车身相连，并通过法兰盘的制动器安装孔与制动系统相连。在车辆高速行驶时，路面通过轮胎传递到转向节上的振动，是我们分析时考虑的主要因素。计算时利用已有的整车模型，对整车施加4G的重力加速度，算出转向节三个衬套中心点和两个螺栓安装孔中心点的支反力作为施加载荷，并约束法兰盘连接制动系统端面上所有结点的123456自由度。转向节分析边界条件如图4所示：
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