CN103612688A - 基于多体动力学和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法 - Google Patents

基于多体动力学和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法 Download PDF

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Abstract

本发明为了解决目前汽车设计中缺少明确可行的轻量化方法，汽车底盘件仍有较大减重空间的问题，提供一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法。该方法，包括如下步骤：1、建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型和对象零件有限元模型，2、选取多个典型工况，提取每个典型工况下对象零件的所受等效静载，3、将步骤2中提取的等效静载作为优化边界条件，并选取每个典型工况的柔度加权系数，以加权总柔度为最小为目标函数，以模态和应力为约束函数进行拓扑优化，4、对于拓扑优化结果选取阈值，指导去除材料的位置。本发明将疲劳强度设计与静强度设计相结合，具有较高的可靠性，移植性和可操作性，能够有效的缩短开发周期。

Description

基于多体动力学和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法
技术领域
本发明涉及车辆工程、机械技术相关领域技术领域，具体地说，涉及一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，它特别适合在对在设计开发阶段或已经在产的各型汽车、工程机械等产品的底盘承载件进行整体或局部的轻量化优化设计。
 
背景技术
长期以来，我国的汽车设计一般采用经验和类比方法，而欧美和日本等国外公司经历了渐进发展，从粗放的经验设计和类比设计，经过静强度和疲劳强度可靠性设计，发展到了目前的以新材料和新工艺为基础的轻量化设计技术。
近年来，国外公司为了增加竞争力，进一步向轻量化方向发展，他们一般采用高强度材料，如TRIP钢材，铝合金及新型合金材料等，来实现整车轻量化，但这种做法大大增加了成本。
我国的汽车发展水平与国际先进水平仍存在较大的差距，结构过重造成的整车动力性能，燃油经济性能较差和成本较高的现象依旧突出。而大规模的使用新材料与我国相对落后的经济和市场状况不协调。因此有必要提出一种切实可行的，成本较低的轻量化技术。
为了顺应这种要求，在整车研发设计阶段，国内的众多汽车制造商有必要将传统的经验设计逐渐转变为具有严格的数学和力学基础的多体动力学—有限元辅助设计方法。这种方法能够在研发设计阶段较为搭建出整车的虚拟样机，可以较为真实的反映出整车的性能指标和零部件力学性能，同时易于修改和优化。而现在鲜有一种较好的可以解决上述问题的方法。
发明内容
本发明为了解决目前汽车设计中缺少明确可行的轻量化方法，汽车底盘件仍有较大减重空间的问题，提供一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型和对象零件有限元模型，
（2）选取多个典型工况，根据疲劳强度设计要求拟定极限载荷系数，计算车轮受力，并导入多体动力学模型，提取每个典型工况下对象零件的所受等效静载，
（3）将步骤（2）中提取的等效静载作为优化边界条件，根据对象车型的实际使用条件，计算每个典型工况的柔度，并选取每个典型工况的柔度加权系数，以加权总柔度为最小为目标函数，以模态和应力为约束函数进行拓扑优化，
（4）对于拓扑优化结果选取阈值，指导去除材料的位置。
本发明所述步骤（1）中，建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型，包括如下步骤：
（1）首先应按照底盘悬架硬点坐标搭建前悬架和后悬架拓扑模型，并为悬架中各个零部件添加质量和转动惯量，悬架中各个零部件之间按不同的约束方式添加橡胶衬套连接或铰连接，添加橡胶衬套连接的位置需要设置衬套的刚度和阻尼参数，
（2）选取轮胎力学模型，使用UA模型，然后为轮胎模型添加轮胎几何参数，质量，转动惯量，刚度和阻尼参数，
（3）在轮胎模型和悬架模型之间添加铰连接，并在整车质心处建立刚性体，为刚性体添加整车质量和转动惯量，并将此刚性体连接到前后悬架的弹簧和减震器上。
本发明所述步骤（1）中，建立优化对象零件有限元模型，所述的对象零件为副车架，建立有限元模型时首先对后副车架划分单元网格，然后添加材料属性，并进行约束。
本发明所述步骤（2）中，所述的典型工况包括不平路面工况、转弯工况和制动工况。
本发明所述步骤（3）中，每个典型工况的柔度                                                
Figure 2013106155213100002DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 600827DEST_PATH_IMAGE002
为位移矩阵；
Figure 2013106155213100002DEST_PATH_IMAGE003
为作用力矩阵；
Figure 82160DEST_PATH_IMAGE004
为刚度矩阵。
本发明所述步骤（3）中，所述不平路面工况的的柔度加权系数大于0.5。
本发明所述步骤（3）中，以一阶模态不下降，应力增加量小于5%作为约束函数，对优化对象有限元模型进行拓扑优化迭代，得到拓扑优化等密度图。
本发明所述步骤（4）中，所述阈值的范围为0.25到0.35。
本发明所述步骤（4）中，将材料去除部位圆整为圆孔。
本发明基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，将疲劳强度设计与静强度设计相结合，具有较高的可靠性，移植性和可操作性，能够有效的缩短开发周期，新车型在设计开发阶段，使用该方法可以在没有物理样机进行实验的时候提供一种可行有效的轻量化方法。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明基于多体动力学和有拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法的流程图。
 
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的主旨在于，通过对现有汽车设计现状的分析，发现目前汽车设计中缺少明确可行的轻量化方法，汽车底盘件仍有较大减重空间的问题，通过本发明提供一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法以解决上述问题。
参见图1，本发明基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，包括如下步骤：
1. 建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型和对象零件有限元模型。
建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型的步骤为：
（1）首先应按照底盘悬架硬点坐标搭建前悬架和后悬架拓扑模型，并为悬架中各个零部件添加质量和转动惯量，悬架中各个零部件之间按不同的约束方式添加橡胶衬套连接或铰连接，添加橡胶衬套连接的位置需要设置衬套的刚度和阻尼参数。
（2）选取轮胎力学模型，优选使用UA模型，UA模型考虑了轮胎非稳态效果，通过摩擦圆考虑了侧偏和纵滑的相互影响，也考虑了外倾和松弛长度，在使用有限的参数情况下保证了模型的精度，然后为轮胎模型添加轮胎几何参数，质量，转动惯量，刚度和阻尼参数。
（3）在轮胎模型和悬架模型之间添加铰连接，并在整车质心处建立刚性体，为刚性体添加整车质量和转动惯量，并将此刚性体连接到前后悬架的弹簧和减震器上。
建立优化对象零件有限元模型所需参数包括材料参数和约束边界条件，在本发明中，以后副车架为对象零件，作为优化对象，则需要建立后副车架有限元模型，建立模型时需要对后副车架划分单元网格，添加材料属性，并进行合理的约束。可以理解的是，除了副车架，也可以采用汽车底盘的其他部件作为对象零件，本发明中仅仅是以后副车架进行示例性说明，并非对本发明的限制。
2. 选取多个典型工况，根据疲劳强度设计要求拟定极限载荷系数，计算车轮受力，并导入多体动力学模型，提取每个典型工况下对象零件的所受等效静载。
发明中选取不平路面工况，转弯工况和制动工况作为典型工况，为保证疲劳强度设计要求，拟定如表1所示的极限载荷系数。极限工况动载系数需要足够大以保证的轻量化后的不仅具备足够静强度，也同时能够具备足够的疲劳强度。极限工况动载系数的拟定可以根据经验，也可以采用实际工况的2倍作为近似值。
工况名称 路面附着系数 纵向加速度(g) 侧向加速度(g) 垂向加速度(g)
制动 0.7 0.6 0 1
不平路面 0.7 0 0 2
转弯 0.7 0 0.6 1
                               表1
将根据极限工况动载系数计算出来的车轮受力导入多体动力学模型，得到每个典型工况下，该车型后副车架各个受载位置的等效静载。表2为后副车架各个受载位置所受等效静载的仿真计算结果。
Figure 2013106155213100002DEST_PATH_IMAGE005
                                表2
3. 将步骤2中提取的等效静载作为优化边界条件，根据对象车型的实际使用条件，计算每个典型工况的柔度，并选取每个典型工况的柔度加权系数，以加权总柔度为最小为目标函数，以模态和应力为约束函数进行拓扑优化。
柔度反映的是结构的应变能，是结构刚度的倒数。每个典型工况的柔度C可以通过下面的公式计算：
Figure 779989DEST_PATH_IMAGE006
                                              
由于
Figure 2013106155213100002DEST_PATH_IMAGE007
，因此可以得到：
Figure 420924DEST_PATH_IMAGE008
                                          
式中
Figure 557507DEST_PATH_IMAGE002
为位移矩阵；
Figure 164069DEST_PATH_IMAGE003
为作用力矩阵；
Figure 406700DEST_PATH_IMAGE004
为刚度矩阵。
加权柔度是经典拓朴优化中考虑多工况的一种方法。它是每个独立工况的柔度的加权总和，是针对整个结构的全局响应：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
                                                    
式中
Figure 534931DEST_PATH_IMAGE010
为第i种工况柔度的加权系数。
以加权柔度最小为目标函数，实际上就是要求优化对象的在多种工况下的加权应变能最小，也即要求优化对象在多种工况下的加权变形量最小。
加权系数的选取依赖于优化对象车型的实际行驶工况，要求加权系数能够反映出各个优化工况在对象车型实际行驶工况中所占比重以及各个工况对优化对象件造成的疲劳损伤的累计不同比重。对在产车型，可以对车型使用情况进行调研并进行统计分析后拟定，对于设计研发阶段，或不能进行调研统计分析的情况，也可以根据经验拟定。
本发明中，选取加权系数如表3所示，较优的是不平路工况的加权系数大于0.5。
工况 不平路工况 制动工况 转弯工况
加权系数 0.75 0.15 0.1
                       表3
以步骤2中的等效静载作为轻量化边界条件，参照表2设置目标函数，并以一阶模态不下降，应力增加量小于5%作为约束函数，对优化对象有限元模型进行拓扑优化迭代，最终得到拓扑优化等密度图。
4. 对于拓扑优化结果选取阈值，指导去除材料的位置。
拓扑优化结果为有限元单元密度分布，其单元密度值在0到1之间变化，低密度区表示较少的材料分布。为了指导材料去除位置，需要为优化结果设置密度阈值。
密度阈值一般可以根据经验选取，通常选取范围为0.25到0.35。
为发明中的优化结果设置阈值0.3，得到材料去除的准确位置，为防止应力集中，同时考虑加工便捷性和经济性，将材料去除部位圆整为圆孔。
为了验证优化后后副车架的强度满足使用要求，对优化前后的副车架进行等效静力有限元分析，得到优化前后副车架等效应力对比情况如表4所示。
优化前，该车型副车架总成总质量12.75kg，优化后，质量为11.60kg，优化质量为1.15kg，对于年产能为12万件的生产厂家，一年能够节省钢材138吨钢材。
工况 不平路工况 制动工况 转弯工况
优化前等效应力最大值 351.2MPa 264.9MPa 160.4MPa
优化后等效应力最大值 356.1MPa 272.6MPa 165.8MPa
                       表4
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1. 基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型和对象零件有限元模型，
（2）选取多个典型工况，根据疲劳强度设计要求拟定极限载荷系数，计算车轮受力，并导入多体动力学模型，提取每个典型工况下对象零件的所受等效静载，
（3）将步骤（2）中提取的等效静载作为优化边界条件，根据对象车型的实际使用条件，计算每个典型工况的柔度，并选取每个典型工况的柔度加权系数，以加权总柔度为最小为目标函数，以模态和应力为约束函数进行拓扑优化，
（4）对于拓扑优化结果选取阈值，指导去除材料的位置。
2. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（1）中，建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型，包括如下步骤：
（1）首先应按照底盘悬架硬点坐标搭建前悬架和后悬架拓扑模型，并为悬架中各个零部件添加质量和转动惯量，悬架中各个零部件之间按不同的约束方式添加橡胶衬套连接或铰连接，添加橡胶衬套连接的位置需要设置衬套的刚度和阻尼参数，
（2）选取轮胎力学模型，使用UA模型，然后为轮胎模型添加轮胎几何参数，质量，转动惯量，刚度和阻尼参数，
（3）在轮胎模型和悬架模型之间添加铰连接，并在整车质心处建立刚性体，为刚性体添加整车质量和转动惯量，并将此刚性体连接到前后悬架的弹簧和减震器上。
3. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（1）中，建立优化对象零件有限元模型，所述的对象零件为副车架，建立有限元模型时首先对后副车架划分单元网格，然后添加材料属性，并进行约束。
4. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述的典型工况包括不平路面工况、转弯工况和制动工况。
5. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（3）中，每个典型工况的柔度                                               ，其中，为位移矩阵；
Figure 2013106155213100001DEST_PATH_IMAGE006
为作用力矩阵；
Figure 2013106155213100001DEST_PATH_IMAGE008
为刚度矩阵。
6. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述不平路面工况的的柔度加权系数大于0.5。
7. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（3）中，以一阶模态不下降，应力增加量小于5%作为约束函数，对优化对象有限元模型进行拓扑优化迭代，得到拓扑优化等密度图。
8. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（4）中，所述阈值的范围为0.25到0.35。
9. 根据权利要求1所述的基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于：所述步骤（4）中，将材料去除部位圆整为圆孔。
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