结构拓扑优化是近年来国际上优化研究热点问题之一,可在改善或保持结构性能的基础上得到材料的最优分布,它使复杂结构在概念设计阶段即可灵活、理性地进行方案优选。本文就其在重型汽车车架结构优化设计领域的应用进行了初步探讨,主要研究工作有:首先,利用HyperWorks的优化模块,根据某重型汽车主车架的实际尺寸、载荷情况,以及边界条件建立了三维拓扑优化基础模型,以多工况变形能为目标函数,体积比为约束函数,通过变密度法,针对同一模型进行了多次拓扑优化计算,得到了一组相似的拓扑结构。其次,根据不同拓扑结构的静力学分析结果,选择了约束函数取值最小的一个拓扑布局,并将它转换为密度一致、厚度均匀,并且方便加工的板壳材料,进行了尺寸优化和形状优化,最终得到该主车架的概念性结构,该结构比原来主车架的结构轻630斤。最后,对拓扑优化后的主车架结构进行了刚度和强度分析,计算结果显示其弯曲刚度和扭转刚度都有所提高,特别是扭转刚度提高近一倍;弯曲模态频率和扭转模态频率也有所提高;结构在典型极限工况下的静强度足够;以5.4km/h的速度越过含160mm深坑的不平路面瞬态响应仿真分析表明,车架在该路面上行驶规定里程(6000km)不会产生疲劳破坏。通过本文的研究,得到关于拓扑优化设计和车架结构材料布局的主要结论:①以多工况变形能最小为目标函数,体积比为约束函数对重型汽车车架进行三维拓扑优化设计,能够在尽可能减小车架质量的基础上,得到整体刚度和结构强度比较好的材料拓扑布局;②在车架设计空间内,越靠近车架上下表面的材料利用率越高,且在车架一阶扭转的节线区域,也就是车架的中间部分,上下表面被大面积保留了下来,而上下表面之间的材料却被挖空。说明对于施加到车架上的扭转载荷来说,上下表面的材料是非常有用的,能够有效地提高车架的抗扭刚度;③材料的布局与车架前后悬架的位置和悬架本身的负荷有很大关系。车架前面部分的结构由于负荷小,横梁的尺寸也小、纵梁上分布了很多孔洞,而车架中后部分的结构由于负荷大,横梁的面积也大,纵梁上没有布置孔洞;④由自由模态计算结果来看,在频率比较低的范围产生了车架前后纵梁摆动的局部模态,这是拓扑布局删除了前后端横梁而产生的,说明前后端的横梁或许对提高车架的刚度影响不大,但是为了保证车架前后端不自由摆动,它们在车架结构中是必要的;⑤在进行优化的迭代计算过程中,约束函数设置越小,拓扑结构中被删除的材料越多,迭代收敛越困难。因此,合理设置约束函数值是确保优化计算与迭代效率的一个关键。