基于 Ansys 产品体系的商用车尾气处理系统支架拓扑优化

何锋

东风康明斯排放系统有限公司，邮编：442000

[ 摘 要 ] 利用 Ansys 系列产品，采用拓扑优化方法，以最小质量为设计目标，将给定设计域中的材料

合理分布并去除对最大应力贡献量小的材料。优化过程中前处理和三维建模使用了

SpaceClaim，拓扑优化过程由 Ansys Workbench 中的 Topology Optimization 模块执行，强

度评价则应用了 nCode DesignLife。优化对象为尾气处理系统支架，优化后的支架经过强度

再评价，强度再评价方法包含：静强度分析、随机振动分析、正弦振动分析，证明优化后支

架的强度仍然满足使用要求。通过优化将支架的总质量降低了 32.4%。证明运用拓扑优化方

法在减重和降成本方面具有很高的实用价值。

[ 关键词 ] 汽车、支架、拓扑优化、随机振动、正弦振动、nCode DesignLife、SpaceClaim

Topology optimization of commercial vehicle exhaust

treatment system bracket based on ANSYS products He Feng

Dongfeng Cummins Emission Solutions Co., Ltd. Code: 442000

[ Abstract ] Using ANSYS series products and topology optimization method, the materials in the given

design domain are reasonably distributed and the materials with small contribution to the

maximum stress are removed with the minimum mass as the design objective. SpaceClaim

is used in preprocessing and 3D modeling, optimization is performed by Topology

Optimization module in ANSYS Workbench, and nCode DesignLife is applied to strength

evaluation. The optimization object is the brackets of exhaust gas treatment system. The

strength re-evaluation method includes static strength analysis, random vibration analysis

and sinusoidal vibration analysis. Strength re-evaluation proved that the strength of the

optimized support still meets the requirements. The total weight of the brackets were

reduced by 32.4%. It is proved that the topology optimization method has high practical

value in weight reduction and cost reduction.

[ Keyword ] Automobile, Bracket, Topology Optimization, Random Vibration, Simple Harmonic

Vibration, DesignLife、SpaceClaim

1 前言

我国从 2000 年开始出台机动车排放标准，只有满足标准的机动车才能出厂销售。中

国第一阶段排放标准简称为「国一」，以此类推。从「国一」到「国五」，我国的排放标

准一直沿用欧洲的法规体系，排放标准不断加严（图 1）。「国六」融合了欧标和美标的

先进之处，并针对我国的实际情况提出了更严格的要求。

为了满足国家机动车排放法规的要求，尾气处理系统成为了机动车的必备车载设备。

图 1 排放法规的部分要求

我国已经于 2019 年开始逐步启用「国六」标准，直至 2023 年全面贯彻实施。

随着排放法规要求越来越高，尾气处理系统也越来越复杂。与此同时，系统的总质量

增加、成本增加，为整车的轻量化趋势和成本控制带来挑战。

同等马力段的「国六」尾气处理系统总质量相比「国五」尾气处理系统总质量上升约

70%（图 2）。

图 2 同等马力段产品对比

2 优化的一般流程及必要条件

基于有限元分析的拓扑优化技术是一种新型的设计方法，允许在方案设计阶段为设计

者提供概念性设计，给出合理的结构布局，可有效减轻结构重量，并能提高结构的强度和

刚度。该技术可以缩短设计周期，降低开发成本。

本文利用 ANSYS 系列产品对某尾气处理系统支架进行拓扑优化，拓扑优化结果为研

发团队提出了效果显著的优化方案。

优化工作在各个工作象限所需要的必备条件如下图（图 3）所示：

图 3 优化工作的必备条件

其中，ANSYS Workbench 是综合仿真环境，该环境为本次仿真计算静力学计算结

果、谐响应计算结果和拓扑优化结果。

Space Claim 是全新的直接建模工具，其便捷的操作方式特别适用于前处理和快速建

模。

nCode Design Life 是专业的寿命评价工具，该软件具有丰富的材料库和疲劳评估方

法。

3 基于 ANSYS 产品体系的拓扑优化实现

3.1 优化过程简述

我司实践的优化过程如下图所示（图 4）：

图 4 优化过程

3.2 选择优化对象

选择优化对象的逻辑是：优先选择优化后收益最大的对象。根据销售量预测、客户端

减重诉求的强烈程度、原设计的鲁棒性及原设计原材料成本占比等指标，综合评选后选择

优化对象。

综合评价后将优化对象选择为某中马力段车型的尾气处理系统（图 5）的底盘支架：

图 5 某中马力段车型的尾气处理系统底盘支架

3.3 定义评价准则

基于该尾气处理系统的寿命目标和客户要求的试验项目，将强度评价准则定义如下

（表 1）：

表 1 强度评价准则

评价方法 接受准则 备注

静强度评价：

X/Y/Z 三个方向分别加载 20g 重力加速度。

支架最大应力小于材

料屈服强度。

静载荷载荷条件也同时作为拓

扑优化的载荷条件。

随机振动累计损伤评价：

X/Y/Z 三个方向分别加载 PSD 谱。 支架最大损伤值 < 1 基于 Miner 线性累计损伤准则。

简谐振动累计损伤评价：

X/Y/Z 三个方向分别加载正弦载荷。 支架最大损伤值 < 1 基于 Miner 线性累计损伤准则。

3.4 定义优化边界及条件

3.4.1 基于尾气处理系统安装边界条件定义拓扑优化的设计域

根据尾气处理系统的尺寸边界和主机厂提供的边界范围建立设计域。设计域由 Space

Claim 建模（图 6）：

图 6 设计域建模结果

3.4.2 获取制造约束条件

与供应商沟通后从供应商获得支架的脱模方向建议及最小壁厚建议。脱模方向的设定

对最终结果会有很大影响，拓扑优化模块将依照脱模方向的定义确定材料分布方式。最小

厚度设定将最终影响支架的铸造难度。

3.4.3 拓扑优化载荷条件

提取总成在 X/Y/Z 三个方向分别加载 20g 加速度条件下支架螺栓连接的受力（图

7）。

图 7 提取支架螺栓连接的受力

3.5 执行优化

3.5.1 进行静力学计算

抑制尾气处理系统本体以便节省计算成本。抑制后有限元模型规模大幅度降低，可以

提高优化效率。将提取的全部支架螺栓受力条件加载于模型中，运行静力分析获得静力学

分析结果（图 8）。

图 8 获得静力学分析结果

将静力分析结果传递给 Topology Optimization 模块，Topology Optimization 模块将基

于此静力学分析结果进行优化分析（图 9）。

图 9 ANSYS Workbench 拓扑优化流程图

3.5.2 定义拓扑优化目标和约束条件

1. 优化目标：最小质量

2. 响应约束条件：全局 Von-Mises 应力小于材料屈服强度

3. 制造约束条件：沿 X 轴双向脱模

4. 最小壁厚:8mm

5. 惩罚系数：5.5

优化模型最终设置（图 10）如下图所示：

图 10 优化模型设置

3.5.3 执行拓扑优化并输出结果

经过 137 次迭代，获得了优化结果，经过平滑处理后输出三维模型（图 11）。

图 11 平滑处理后的三维模型

3.5.4 根据优化结果重新设计支架

将平滑处理后的三维模型导入 Space Claim 中，根据优化结果生成准确的三维模型

（图 12）。

图 12 重新设计的支架

3.6 优化方案再评价

将优化后的支架模型与尾气处理系统装配（图 13），基于完整模型评价其强度。

图 13 优化后的支架模型与尾气处理系统装配

3.6.1 静强度评价

X/Y/Z 三个方向分别加载 20g 重力加速度，分别计算最大应力值（图 14）。

图 14 静力分析结果

优化设计后的静力分析结果（图 15）显示：支架在三个方向静载荷的作用下最大应

力值均有提高，而且最大应力值趋于平均。这表明材料的机械性能被更加充分地利用。

静强度分析满足接受准则。

图 15 静力分析结果对比

3.6.2 随机振动累计损伤评价

PSD 谱基于车辆在强化试验中采集的加速度得出，可以模拟用户在实际使用中尾气处

理系统受到的振动条件。随机振动累计损伤基于 nCode Design Life 软件进行评价，分析

流程如下图所示（图 16）：

图 16 随机振动累计损伤分析流程

优化设计后的随机振动分析结果（图 17）显示：支架最大均方根应力值有所提高，

且各个方向更加均衡，损伤值有所提高，表明材料的机械性能被更加充分地利用。

损伤值满足接受条件。

图 17 随机振动分析结果对比

3.6.3 简谐振动累计损伤评价

简谐振动分析由客户提出，因此列入评价项目中。简谐振动累计损伤基于 nCode

Design Life 软件进行评价，分析流程如下图所示（图 18）：

图 18 简谐振动累计损伤分析流程

优化设计后的简谐振动分析结果（图 19）显示：支架在此振动条件下处于无限疲劳

寿命状态。

损伤值满足接受条件。

图 19 简谐振动分析结果对比

3.7 优化结果总结

经过优化，支架的总质量降低了 32.4%，重量降幅为 8.15kg，减重效果显著。由于支

架机加工工序少，材料成本占采购成本的主要部分，因此带来了显著的降成本收益。由于

尾气后处理系统总质量下降，终端用户将享受到节油的好处。使得康明斯排放、客户及终

端用户均能享受到优化带来的效益。

4 结论

基于 ANSYS 产品体系，研发团队可以高效地进行减重/降成本优化。优化结果的合

理性、信服力被研发团队所认可。在康明斯部署的 ANSYS 产品体系可以支持研发团队完

成广泛的 CAE 分析任务。

目前结构类分析主要运用的软件包含：Workbench、nCode Design Life、Space

Claim，工程实践中可以完全满足我司的仿真需求。

[参考文献]

[1] 康明斯排放处理系统（中国）有限公司宣传册

[2] ANSYS User Manual

[3] nCode DesignLife User Manual