CN102945307A - 汽车底盘关键结构件结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，包括：步骤一，确定底盘关键结构件性能指标；步骤二，建立悬架多体模型，计算底盘关键结构件各连接点载荷；步骤三，建立适合于底盘关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域；步骤四，建立拓扑优化数学模型；步骤五，迭代求解；步骤六，获得底盘关键结构件拓扑优化设计结果。本发明的方法区别于传统设计方法，该方法结合悬架多体模型的连接点载荷分解技术和连续体拓扑优化技术，通过将设计要求反应在优化数学模型中，使设计方案能够更准确、更全面地满足设计要求，适用于刚度、强度和轻量化水平要求高的新型底盘关键结构件，对于轿车底盘的前期概念设计意义重大。

Description

汽车底盘关键结构件结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计，特别是涉及一种汽车底盘关键结构件结构优化设计方法。

背景技术

汽车底盘关键结构件主要包括前、后副车架、控制臂、转向节、拖曳臂等，这些关键结构件在提升轿车乘坐舒适性、底盘刚度强度和操控性的同时，也提高了装配便利性及设计通用性，是当前主流轿车底盘的重要组成部分。汽车底盘关键结构件的结构形式、刚度及强度对整车耐久性、舒适性、操控性有很大影响，是衡量轿车底盘设计水平的重要依据。目前的汽车底盘关键结构件多采用板材冲压焊接、液压成型及铸造成型等工艺形式。其中，冲压成型的焊接件，焊接工艺复杂，且承载能力和强度都非常有限；而液压成型件，承载能力和强度比较高，质量较轻，但是其制造工艺先进程度较高，并不被国内大多数制造厂商所掌握。

结构优化通过近百年的发展已经逐渐走向成熟，结构设计者可以利用结构优化的办法设计出安全可靠的结构，使设计出的结构满足各种不同的需求，并更有效率地使用材料。连续体拓扑优化是结构优化领域中的前沿技术，通过调整设计域内材料位置和数量的配置，使结构在满足一定需求条件的情况下将载荷通过最佳传递路径传递到结构的支撑边界处。在拓扑优化中，刚度目标通常用柔顺性来表达，柔顺性越低代表结构的刚度越大，强度通常表现在优化模型的约束中。

虽然拓扑优化对于结构设计意义重大，但在现有技术中，尚没有发现利用利用连续体拓扑优化的方法设计汽车底盘关键结构件的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用连续体拓扑优化的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，包括：

步骤一，确定底盘关键结构件性能指标；

步骤二，建立悬架多体模型，计算底盘关键结构件各连接点载荷；

步骤三，建立适合于底盘关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域；

步骤四，建立拓扑优化数学模型；

步骤五，迭代求解；

步骤六，获得底盘关键结构件拓扑优化设计结果。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤一中，根据轿车的整车性能指标，确定底盘关键结构件的性能指标，所述底盘关键结构件包括前、后副车架、控制臂、转向节和拖曳臂，所述底盘关键结构件的性能指标包括重量、尺寸公差、与其他部件的装配间隙要求、刚度、模态、强度及可靠耐久性，所述轿车的整车性能指标的具体指标值根据不同载荷工况下的整车性能要求确定。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤二中通过如下方式建立悬架多体模型并计算底盘关键结构件各连接点载荷：

确定载荷条件，载荷条件包括准静态载荷工况和实际路面载荷；

将准静态载荷工况或实际路面载荷作为条件，根据车辆的设计轴荷、发动机特性、悬架硬点、悬架特性条件，建立多体悬架模型，按照步骤一的载荷工况进行多工况模拟分析，得到底盘关键结构件与车身结构的连接点载荷，每个连接点载荷包括3向力和3向力矩。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述准静态载荷工况包括：标准工况下Z向0.8-1.0g、垂向加速时Z向3.0-3.5g、纵向跳动时X向1.8-2.0g且Z向0.8-1.0g、侧向跳动时Y向1.8-2.0g且Z向0.8-1.0g、右转时Y向1.0-1.2g、转向且制动时X向0.7-0.8g、制动时X向1.0-1.2g且Z向0.8-1.0g、倒车时制动X向0.4-0.5g且Z向0.8-1.0g、倒车时制动X向0.8-1.0g、加速时X向0.4-0.6g且Z向0.8-1.0g、转向时加速X向0.4-0.5g、对角线载荷左前（对角线载荷从汽车的左前端传向右后端）、垂向加速时Z向2.0-3.0g、垂向加速时Z向0.4-0.6g、右转向时Y向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、右转向时Y向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、制动时X向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、加速时X向-0.4-0.5g且Z向0.8-1.0g、加速时X向0.2-0.3g且Z向0.8-1.0g。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤四利用如下公式建立拓扑优化数学模型：

$\underset{x}{\mathrm{Minimize}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{C}_i$

$\mathrm{subjectto}:a_i(u,v,x)=L_i(v,x),{u_i|}_{{\∂\mathrm{\Ω}}_v}=u_{i0,}\∀v\∈U$

${\mathrm{\σ}}_i\left(x\right)\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}$

V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max

x ∈{0，1}

i＝1，…，I

其中，i表示第i种工况，C_i为第i种工况下的柔顺性，w_i为第i种工况对应柔顺性的权重因子，v为虚位移，a(u,v,x)＝L(v,x)为结构的虚位移平衡方程，

为位移边界，

为点x处的应力约束，V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max为体积上限约束，x∈{0,1}为拓扑设计变量，x＝1表示点x处存在实体材料，x＝0表示点x处不存在材料，x为拓扑设计变量，Ω为结构所占区域，

为结构的位移边界，I表示工况数（当载荷工况数为19时，I取19），u为结构的平衡位移，v为虚位移，L_i为柔顺性。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤四还包括：

确定底盘关键结构件载荷工况的权重因子。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤四还包括：

确定许用应力。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤四还包括：

依据预先制定的减重目标来确定体积约束。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤四还包括：

确定优化的惩罚因子，所述惩罚因子的取值范围为3~7；

确定收敛因子。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其中，所述步骤六包括：

当优化满足迭代收敛终止准则时停止优化求解

$\frac{|{\mathrm{OBJ}}_n-{\mathrm{OBJ}}_{n+1}|}{{\mathrm{OBJ}}_n}<\mathrm{OBJTOL}$

OBJ_n表示第n次迭代后目标函数的值，OBJ_n+1表示第n+1次迭代后目标函数的值，OBJTOL为收敛因子；

读取拓扑优化设计结果。

本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法结合悬架多体模型的连接点载荷分解技术和连续体拓扑优化技术，通过将设计要求反应在优化数学模型中，使设计方案能够更准确、更全面地满足设计要求，适用于刚度、强度和轻量化水平要求高的新型底盘关键结构件。

附图说明

图1为底盘关键结构件结构优化设计流程图；

图2为前控制臂的正面的拓扑优化设计的初始设计域；

图3为前控制臂的背面的拓扑优化设计的初始设计域；

图4为前控制臂的正面的拓扑优化设计结果；

图5为前控制臂的背面的拓扑优化设计结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，包括：

步骤一，确定底盘关键结构件性能指标；

步骤二，建立悬架多体模型，计算底盘关键结构件各连接点载荷；

步骤三，建立适合于底盘关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域；

步骤四，建立拓扑优化数学模型；

步骤五，迭代求解；

步骤六，获得底盘关键结构件拓扑优化设计结果。

下面对上述步骤进行详细说明。

步骤一：确定底盘关键结构件性能指标。

在整车开发过程中，根据不同轿车的整车性能指标（VTS），底盘关键结构件，包括前、后副车架、控制臂、转向节和拖曳臂等也有相应的零部件性能要求(CTS)，主要包括重量、尺寸公差、与其他部件的装配间隙要求；刚度、模态、强度及可靠耐久性等方面，具体指标值应根据整车性能要求确定。

以各个底盘关键结构件刚度、强度要求为例，举例说明：

在准静态工况（垂向、纵向、侧向bump工况；转向、制动、加速；对角扭转工况；及制动与转向组合工况等）下，底盘关键结构件应力水平应低于零件材料的屈服极限。

在极限强度工况（如Pothole工况），底盘关键结构件的结构可以产生一定的永久变形（永久变形量根据底盘关键结构件的CTS指标确定）

底盘关键结构件与车身结构的连接点刚度不低于一定数值，例如控制臂连接点侧向刚度不低于10KN/mm（具体数值根据项目不同而不同）。

除以上静刚度及强度要求外，还需制定动刚度及疲劳强度指标等。

步骤二：确定载荷输入条件，建立悬架多体模型，按照强度要求载荷工况，计算底盘关键结构件与车身结构的连接点载荷。

载荷输入条件包括准静态载荷工况和实际路面载荷。准静态载荷工况是经过对试验场的路面进行多次物理试验与仿真模拟试验对比，经过多次校正提炼出来的一套基本能综合反映所有实际路面所遇到的平缓或恶劣路段路面载荷的工况。本发明保护此准静态载荷工况。具体参数如表1所示。

表1准静态载荷工况表

根据整车开发的可靠耐久性目标，轿车级别的不同，将根据车型不同由性能部门确定准静态载荷工况。

上表中的X向与车身纵轴平行，且由车头指向车尾；Y向与车身横轴平行，Y向与X向垂直；Z向与X向垂直，Z向与Y向垂直，Z向指由车顶指向地面的方向。标准工况下Z向0.8-1.0g是指标准工况下受到Z向的0.8-1.0g重量的载荷，以下依次类推。

上述的准静态载荷工况有助于在仿真分析中模拟与各种现实复杂路况相匹配的工况，能够快速且较为准确地验证汽车在不同工况下的受力情况，用以判定所生产的汽车是否具备足够的刚度、强度和耐久等性能，来满足广大用户对汽车使用的需求。

上述的准静态载荷工况较为全面地概括了在日常生活中城市、郊区所遇到的主要路面工况，且在载荷中预留了一定安全系数。

实际路面载荷，通常会根据样车在试验场里的不同路段测得数据，输入到悬架多体模型中进行分析。大多数的主机厂的操作是在试验样车的四个轮胎上面安装六分仪，用来测量每个车轮在不同路况下在X，Y，Z三个方向上的力和力矩，在后备箱里会有六分仪的采集器，会记录整个行驶过程中三个方向的力和力矩曲线。

将本发明所保护的准静态载荷工况或实际路面载荷作为输入条件，根据车辆的设计轴荷、发动机特性、悬架硬点、悬架特性等输入条件，通过ADAMS软件建立多体悬架模型，按照步骤一所列出的载荷工况进行多工况模拟分析，得到底盘关键结构件与车身结构的连接点载荷，每个连接点载荷包括3向力和3向力矩。

步骤三：建立适合于底盘关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域，包括优化设计区域和非优化设计区域。

非优化设计区域，通常是指那些已经被约束的或跟其他零件有接触连接关系的位置，这些位置是不能发生改变的，否则会与其他零件发生干涉或失去了固定的位置。可优化设计区域是指那些可以进行材料的删减而不会对整个模型产生影响的区域。简单说就是根据现实情况产生的载荷，在模型中使零件轻量化，经过计算，大多都是保留了主要的传力路径的材料，将那些没有实际承受载荷意义的区域变得简单有效。

根据底盘关键结构件设计优化边界来建立有限元初始设计域，例如当转向节硬点不变，且不能超出现有结构的外包络面时，可将转向节衬套连接区域作为非设计域，其它结构部分作为设计域，只能对设计域进行拓扑优化，本专利所给案例的设计域是采用六面体实体单元建模，如图2、图3所示。

步骤四：根据要求建立拓扑优化数学模型。

利用如下公式建立拓扑优化数学模型：

$\underset{x}{\mathrm{Minimize}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i{C}_i$

$\mathrm{subjectto}:a_i(u,v,x)=L_i(v,x),u_i{|}_{{\&PartialD;\mathrm{\&Omega;}}_v}=u_{i0,}\&ForAll;v\&Element;U$

${\mathrm{\&sigma;}}_i\left(x\right)\&le;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}$

V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max

x ∈{0，1}

i＝1，…，I

其中，i表示第i种工况，C_i为第i种工况下的柔顺性，w_i为第i种工况对应柔顺性的权重因子，v为虚位移，a(u,v,x)＝L(v,x)为结构的虚位移平衡方程，

为位移边界，为点x处的应力约束，V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max为体积上限约束，x∈{0,1}为拓扑设计变量，x＝1表示点x处存在实体材料，x＝0表示点x处不存在材料。

以上公式的含义是确定一个柔顺度最小（刚度最大）的目标函数，该公式通过虚位移原理得出，x为拓扑设计变量，Ω为结构所占区域，

为结构的位移边界，I表示工况数（当载荷工况数为19时，I取19），u为结构的平衡位移，v为虚位移，L_i为柔顺性。

为了将发明内容中的拓扑优化数学模型具体化，列出关键优化控制参数：

1)确定底盘关键结构件载荷工况的权重因子

当通过拓扑优化方法求取多载荷工况下的最优解时，可通过权重因子调整不同载荷工况在优化中的权重（如何确定计算工况见步骤1给出的事例），例如在十几个载荷工况中，当重点考核垂向BUMP工况时，则可以为该工况增加权重，对于倒车制动等出现概率较低的工况，可以减少权重，权重因子总和为1。需要指出的是权重因子的合理选择需依据工程实践经验，与车辆的使用工况密切相关。

2)确定许用应力

许用应力是指在特定载荷工况下的结构应力阈值。在底盘关键结构件结构设计中，要求底盘关键结构件在不同的载荷工况下满足不同的许用应力要求，例如在准静态工况（垂向、纵向、侧向bump工况；转向、制动、加速；对角扭转工况；及制动与转向组合工况等）下，要求结构计算应力低于材料屈服应力，即准静态工况下，底盘关键结构件的许用应力就是材料的屈服应力。

3)确定体积约束

体积约束是指以结构的体积为约束条件。在拓扑优化计算中，质量和体积响应是全局响应，也可以采用质量分数和体积分数作为约束条件。体积约束依据预先制定的减重目标来确定，例如体积约束上限取设计区域的10%。

4)确定优化的惩罚因子

在拓扑优化中引入惩罚因子的目的是为了消除优化结构中的棋盘格现象，对中间密度值进行惩罚，使中间密度值向0和1两端聚集，获得更加清晰的力传递路径和结构材料分布。惩罚因子的数值根据具体计算确定，一般泊松比为0.3时，要求惩罚因子大于3，惩罚因子一般的取值范围为3~7，在本案例中，取惩罚因子为5，获得了如图4、图5所示的前控制臂最优拓扑结构。

5)确定收敛因子

收敛因子OBJTOL是判定优化是否收敛的常数，当相邻两次迭代目标函数值的相对变化小于收敛因子时，可判定计算收敛，优化求解终止。收敛因子选取过大会造成计算不稳定或不收敛，收敛因子一般取0.005，可根据具体优化计算调整收敛因子，本案例中，收敛因子OBJTOL取0.0001。

步骤五：迭代求解计算

使用有限元专业优化计算求解器进行计算求解。

步骤六：当优化满足迭代收敛终止准则时停止优化求解

$\frac{|{\mathrm{OBJ}}_n-{\mathrm{OBJ}}_{n+1}|}{{\mathrm{OBJ}}_n}<\mathrm{OBJTOL}$

其中，OBJ_n表示第n次迭代后目标函数的值，OBJ_n+1表示第n+1次迭代后目标函数的值，OBJTOL为收敛因子。读取拓扑优化设计结果，如图4、图5所示，可根据工艺要求进一步细化设计方案。

本发明公开了一种汽车底盘关键结构件结构优化设计方法。汽车底盘关键结构件主要包括前、后副车架、控制臂、转向节和拖曳臂等。汽车底盘关键结构件的结构形式、刚度及强度对整车耐久性、舒适性、操控性有很大影响，是衡量轿车底盘设计水平的重要依据。通过利用结构优化的设计方法设计出安全可靠的底盘关键结构件结构，并能使整体的质量轻量化、有效地使用材料，结构满足各种不同的需求是目前的发展趋势。连续体拓扑优化通过调整设计域内材料位置和数量的配置，使结构在满足一定需求条件的情况下将载荷通过最佳传递路径传递到结构的支撑边界处。本发明提供一种区别于传统设计方法的轿车底盘关键结构件的轻量化设计方法，该方法结合悬架多体模型的连接点载荷分解技术和连续体拓扑优化技术，通过将设计要求反应在优化数学模型中，使设计方案能够更准确、更全面地满足设计要求，适用于刚度、强度和轻量化水平要求高的新型底盘关键结构件，对于轿车底盘的前期概念设计意义重大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，包括：

步骤一，确定底盘关键结构件性能指标；

步骤二，建立悬架多体模型，计算底盘关键结构件各连接点载荷；

步骤三，建立适合于底盘关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域；

步骤四，建立拓扑优化数学模型；

步骤五，迭代求解；

步骤六，获得底盘关键结构件拓扑优化设计结果。

2.根据权利要求1所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中，根据轿车的整车性能指标，确定底盘关键结构件的性能指标，所述底盘关键结构件包括前、后副车架、控制臂、转向节和拖曳臂，所述底盘关键结构件的性能指标包括重量、尺寸公差、与其他部件的装配间隙要求、刚度、模态、强度及可靠耐久性，所述轿车的整车性能指标的具体指标值根据不同载荷工况下的整车性能要求确定。

3.根据权利要求2所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中通过如下方式建立悬架多体模型并计算底盘关键结构件各连接点载荷：

确定载荷条件，载荷条件包括准静态载荷工况和实际路面载荷；

将准静态载荷工况或实际路面载荷作为条件，根据车辆的设计轴荷、发动机特性、悬架硬点、悬架特性条件，建立多体悬架模型，按照步骤一的载荷工况进行多工况模拟分析，得到底盘关键结构件与车身结构的连接点载荷，每个连接点载荷包括3向力和3向力矩。

4.根据权利要求3所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述准静态载荷工况包括：标准工况下Z向0.8-1.0g、垂向加速时Z向3.0-3.5g、纵向跳动时X向1.8-2.0g且Z向0.8-1.0g、侧向跳动时Y向1.8-2.0g且Z向0.8-1.0g、右转时Y向1.0-1.2g、转向且制动时X向0.7-0.8g、制动时X向1.0-1.2g且Z向0.8-1.0g、倒车时制动X向0.4-0.5g且Z向0.8-1.0g、倒车时制动X向0.8-1.0g、加速时X向0.4-0.6g且Z向0.8-1.0g、转向时加速X向0.4-0.5g、对角线载荷左前（对角线载荷从汽车的左前端传向右后端）、垂向加速时Z向2.0-3.0g、垂向加速时Z向0.4-0.6g、右转向时Y向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、右转向时Y向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、制动时X向0.7-0.8g且Z向0.8-1.0g、加速时X向-0.4-0.5g且Z向0.8-1.0g、加速时X向0.2-0.3g且Z向0.8-1.0g。

5.根据权利要求4所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤四利用如下公式建立拓扑优化数学模型：

$\underset{x}{\mathrm{Minimize}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i{C}_i$

$\mathrm{subjectto}:a_i(u,v,x)=L_i(v,x),u_i{|}_{{\&PartialD;\mathrm{\&Omega;}}_v}=u_{i0},\&ForAll;v\&Element;U$

${\mathrm{\&sigma;}}_i\left(x\right)\&le;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}$

V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max

x∈{0，1}

i＝1，…，I

其中，i表示第i种工况，C_i为第i种工况下的柔顺性，w_i为第i种工况对应柔顺性的权重因子，v为虚位移，a(u,v,x)＝L(v,x)为结构的虚位移平衡方程，

为位移边界，

为点x处的应力约束，V(x)＝∫_DxdΩ≤V_max为体积上限约束，x∈{0,1}为拓扑设计变量，x＝1表示点x处存在实体材料，x＝0表示点x处不存在材料，x为拓扑设计变量，Ω为结构所占区域，

为结构的位移边界，I表示工况数（当载荷工况数为19时，I取19），u为结构的平衡位移，v为虚位移，L_i为柔顺性。

6.根据权利要求5所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

确定底盘关键结构件载荷工况的权重因子。

7.根据权利要求5所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

确定许用应力。

8.根据权利要求5所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

依据预先制定的减重目标来确定体积约束。

9.根据权利要求5所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

确定优化的惩罚因子，所述惩罚因子的取值范围为3~7；

确定收敛因子。

10.根据权利要求5-9任一项所述的汽车底盘关键结构件结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤六包括：

当优化满足迭代收敛终止准则时停止优化求解

$\frac{|{\mathrm{OSJ}}_n-{\mathrm{OBJ}}_{n+1}|}{{\mathrm{OBJ}}_n}<\mathrm{OBJTOL}$

OBJ_n表示第n次迭代后目标函数的值，OBJ_n+1表示第n+1次迭代后目标函数的值，OBJTOL为收敛因子；

读取拓扑优化设计结果。

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