02_Tosca Structure拓扑优化实例2 - 控制臂的刚度优化

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前言

针对大规模生产的部件，通常可以通过减少材料用量或提高特定性能来生产更优质的部件，以提供更舒适、更安全或更经济的生产方式。

在此实例中，以汽车现有的控制臂作为初始几何形状。优化的目标是降低零部件所需的材料用量。现有部件代表了设计控制臂的传统方式，由框架结构和内部坚硬板组成。然而，随着新型号和更高负荷的要求（例如更大功率的引擎或汽车的增加质量），现有部件无法满足机械要求。

在这种情况下，利用现有几何形状和可用空间作为设计空间是具有意义的。通过拓扑优化过程，可找到满足新要求的设计解决方案。

优化任务

如图所示的控制臂模型，在控制臂的左上和右上区域加载一个由两个夹具组成的载荷工况，在下轴承区域施加另一个载荷。此外，还包括一个用于前照灯范围调节的传感器支座。这些区域在优化过程中不可删除，因此设计区域为下图所示的红色区域。

该组件采用锻造工艺制造而成。为了确保所设计的拓扑优化结构在制造过程中不会产生凹陷，并且能够顺利脱模，必须设定相应的锻造工艺约束。脱模方向沿全局坐标系的+Z向。

定义设计变量约束 - 锻造工艺约束

本例优化任务旨在为控制臂寻找一种结构设计，该设计在满足70%体积约束的前提下，实现最大刚度。刚度与柔度（柔度定义为模型中所有单元应变能的总和）之间存在倒数关系，即最大化刚度，实际上是最小化整个模型的应变能。可通过基于控制的拓扑优化算法来实现，这种方法能够高效地探索并确定最优结构配置。