CN105095542B - 一种汽车悬架关键结构件优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，包括如下步骤：根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统动力学模型，并获得典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷；建立悬架系统机构运动学模型，并确定开发结构件的初始设计域；建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型；获得开发结构件的材料分布并确定开发结构件的基本拓扑构型；获得开发结构件的概念设计模型；获得所述开发结构件的概念设计模型的各参数最优方案以及优化设计模型。实施本发明实施例，能够有效地缩短悬架关键结构件的开发周期，并为汽车其他系统零部件的优化设计提供参考。

Description

一种汽车悬架关键结构件优化设计方法

技术领域

本发明涉及汽车的数字化设计领域，尤其涉及一种汽车悬架关键结构件优化设计方法。

背景技术

汽车悬架系统决定和影响车辆行驶的平顺性，操控稳定性和乘坐舒适性。悬架系统设计，尤其是关键结构件开发决定了悬架的整体性能、装配便利性及设计通用性，是衡量底盘开发设计水平的重要依据，也是国内汽车研发制造厂商关注的重点领域。

汽车悬架关键结构件开发需要满足空间、强度刚度、工艺及疲劳耐久性要求。目前该开发工作主要依赖于“经验+反复试验”的方式，容易导致空间运动干涉、材料厚度盈余等缺陷，无法达到高效设计与控制成本的要求。鉴于此，国内汽车研发制造厂商都开始探索并逐步升级，建立动力学分析与有限元优化相结合的计算机辅助设计研发体系。通过将虚拟设计与实物验证相结合，以缩短悬架关键结构件的开发周期和降低研发成本。虽取得了一定的进展和成果，但鲜有严谨完整且切实可行的研发体系和成熟的开发流程，

现有的一些汽车悬架关键结构件设计方法中，往往存在如下的缺点：

均未给出拓扑优化初始设计域的确定方法，或者直接给出了开发结构件的初始几何设计空间，或者直接表述为根据硬点布置和悬架空间要求设计得到，缺少明确的初始设计域设计依据和确定方法。

此外，现有的技术方案在开发思路和设计流程上，均没能形成标准化以及体系化的开发流程与技术方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，可以形成标准化以及体系化，并有效地缩短悬架关键结构件的开发周期和开发成本。

为了解决上述技术问题，本发明实施例的一方面提供一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，包括如下步骤：

根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统动力学模型，并结合行车工况中不同工况的轴荷配比与零部件疲劳强度要求，获得典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷，所述典型工况至少包括转向工况，起步工况，制动工况，倒车制动；

根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据所述关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域；

根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型，包括进行有限元前处理和载荷边界确定；

在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布并确定开发结构件的基本拓扑构型；

根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构件的概念设计模型；

应用尺寸优化技术，获得所述开发结构件的概念设计模型的各参数最优方案以及优化设计模型。

其中，进一步包括预先确定悬架系统开发方案的步骤，包括：

根据整车开发目标，确定悬架系统开发方案并设定关键结构件性能指标目标，其中，所述悬架系统开发方案至少包括悬架形式，分析工况，零部件方案和动态运动间隙；所述关键结构件至少包括转向节、控制臂和方向杆；所述性能目标至少包括结构件刚度强度、模态和疲劳耐久性能。

其中，所述根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据所述关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域的步骤包括：

根据所述悬架系统开发方案搭建悬架机构运动学模型，包括确定模型固定件与运动件数量，依据零部件的连接关系确定相应的运动副约束和驱动方式，并校核所建立模型能否满足运动学自由度校核公式；

其中自由度校核公式如公式1所示。

式中：N为系统运动部件数，f_i为各运动副约束自由度数，F_D为系统驱动自由度数；

根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束；

并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域。

其中，所述根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束的步骤包括：

在在CATIA(Computer Aided Three-Dimensional Interface Application，计算机辅助3D界面应用)软件的DMU模块(Digital Mock-Up，电子样机)中，在完成悬架系统DMU模型定义并驱动仿真的基础上，通过运动包络输出的功能，以开发结构件为运动参考输出相关零部件的运动包络，获得其他零部件的相对运动包络；

以开发结构件为固定零件，将所有悬架零部件的相对运动包络依次装配形成新的装配模型，从而获得开发结构件的空间包络约束。

其中，所述并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域的步骤包括：

将所述开发结构件的空间包络约束与所述悬架系统开发方案中要求的悬架动态运动间隙进行的叠加，即获得了满足悬架运动间隙要求下开发结构件的最大设计空间，而两者的最小空间距离即等效为运动过程中的最小间隙，从而确定了有限元优化初始设计域。

其中，根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型的步骤包括：

以所获得的初始设计域作为开发结构件的几何空间进行有限元前处理，包括根据材料参数和尺寸规格进行材料定义和网格划分；

根据所述典型工况下悬架结构件连接点输入载荷边界。

其中，在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型的步骤包括：

在所述有限元分析模型基础上，基于变密度法进行开发结构件的拓扑优化设计，获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型；

其中，变密度法将单元材料密度作为设计变量在0～1之间连续变化，求解满足特定约束条件下目标函数的最优解；其中目标函数为质量、体积或应变能；约束条件为结构体积比、单元应力应变或材料屈服极限；变密度法的拓扑优化数学模型如公式2所示：

Minimize C_w(ρ)＝∑w_iC_i(ρ)

Subject to:

0≤ρ≤1

(公式2)

式中：ρ为单元材料密度，C_w(ρ)为优化目标(加权应变能)，C_i(ρ)为第i种工况加权应变能，w_i为第i种工况的权重因子，f(ρ)为优化响应函数，分别为约束条件上、下限，N为约束条件数量；

根据拓扑优化结果，选取合适的密度阈值以确定拓扑构型，所述密度阈值取值范围为0.2～0.3。

其中，所述根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构件的概念设计模型的步骤包括：

根据基本构型确定载荷传递路线和材料密度分布；

根据成型工艺要求选择成型工艺以及装配关系，所述成型工艺包括铸造、锻造、冲压；

获得开发结构件概念设计模型。

其中，所述应用尺寸优化技术，获得概念设计模型各参数最优方案及优化设计模型的步骤包括：

根据所述所获得的概念设计模型中的控制参数，通过应用尺寸优化技术求解获得满足一定约束条件下设计参数的最后方案，进而确定优化设计模型，所述控制参数至少包括材料的厚度以及界面的形状；

所述优化设计模型如下：

Minimize V(X)

Subject to:f_j(X)≥0， j＝1,…,N

其中：X＝[x₁,x₂,…,x_M]^T为优化设计变量，分别为设计变量的上、下限，M，N分别为设计变量和约束条件的数量，f_j(X)，V(X)表示约束函数和目标函数。

其中，进一步包括：在获得优化设计模型之后，进行样件试制及实验验证，确定最终设计模型。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

本发明实施例提供的一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，其结合多体动力学、机构运动学和有限元优化技术，针对汽车悬架关键结构件优化设计方法，适合于开发设计阶段或已量产悬挂结构件的改进和优化设计；

本发明实施例在现有技术方案基础上，从开发思路和设计流程上完善深入，形成了悬架关键结构件优化设计的完整流程和实施方法。

特别的，本发明实施例提供了优化设计中，初始设计域的设计依据和确定方法。该方法能够有效解决解决关键结构件开发中容易出现的运动干涉问题，并将运动最小间距的设计要求在开发过程中考虑避免，降低了开发风险，同时也使得整个开发思路和设计流程更加明确严谨。

本发明实施例所提供的设计方法能够有效地缩短悬架关键结构件的开发周期，降低研发成本，并为汽车其他系统零部件的轻量化设计提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种汽车悬架关键结构件优化设计方法的一个实施例的主流程示意图；

图2是采用本发明所提供的方法的一个实施例中后悬架系统各部分结构示意图；

图3是建立架系统机构运动学模型的约束类型及运动副定义的关系图；

图4是通过CATIA软件进行DMU仿真，重新装配构建的控制臂的空间包络约束示意图；

图5是到图4中的初始设计域的有限元分析模型示意图；

图6是图5中取单元密度阈值为0.15时所得到单元密度拓扑分布云图；

图7是最终获得的下控制臂的基本几何构型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明提供的一种汽车悬架关键结构件优化设计方法的一个实施例的主流程图，在该实施例中，该方法包括如下步骤：

步骤S10，根据开发车型市场定位和整车开发目标，确定悬架系统开发方案并设定关键结构件性能指标目标，其中，悬架系统开发方案至少包括悬架形式，分析工况，零部件方案和动态运动间隙；关键结构件至少包括转向节、控制臂和方向杆；性能目标至少包括结构件刚度强度、模态和疲劳耐久性能。

步骤S11，根据步骤S10中预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统动力学模型，并结合行车工况中不同工况的轴荷配比与零部件疲劳强度要求，获得典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷(如包括3个方向的力与力矩)，典型工况至少包括转向工况，起步工况，制动工况，倒车制动和撞击路肩等；

步骤S12，根据步骤S10中预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域，具体地包括：

根据悬架系统开发方案搭建悬架机构运动学模型，包括确定模型固定件与运动件数量，依据零部件的连接关系确定相应的运动副约束和驱动方式，并校核所建立模型能否满足运动学自由度校核公式；

其中，自由度校核公式如公式1所示。

公式1中：N为系统运动部件数，f_i为各运动副约束自由度数，F_D为系统驱动自由度数；

根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束，具体地，可以在CATIA(Computer Aided Three-Dimensional Interface Application，计算机辅助3D界面应用)软件的DMU模块(Digital Mock-Up，电子样机)中，在完成悬架系统DMU模型定义并驱动仿真的基础上，利用运动包络输出的功能，以开发结构件为运动参考输出相关零部件的运动包络，获得其他零部件的相对运动包络；以开发结构件为固定零件，将所有悬架零部件的相对运动包络依次装配形成新的装配模型，从而获得开发结构件的空间包络约束；

并根据开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域，具体地，因为空间包络约束是确定初始设计域的依据，开发结构件与空间包络约束之间的位置重叠即为悬架运动过程中的空间干涉，而两者的最小空间距离即等效为运动过程中的最小间隙。通可以将开发结构件的空间包络约束与悬架系统开发方案中要求的悬架动态运动间隙进行的叠加，即获得了满足悬架运动间隙要求下开发结构件的最大设计空间，从而确定了有限元优化初始设计域。

步骤S13，根据初始设计域以及典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型，包括进行有限元前处理和载荷边界确定，具体地，包括：

以所获得的初始设计域作为开发结构件的几何空间进行有限元前处理，包括根据材料参数和尺寸规格进行材料定义和网格划分；

根据典型工况下悬架结构件连接点输入载荷边界。

步骤S14，在有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布并确定开发结构件的基本拓扑构型，具体地，包括：

在有限元分析模型基础上，基于变密度法进行开发结构件的拓扑优化设计，获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型；

其中，变密度法将单元材料密度作为设计变量在0～1之间连续变化，求解满足特定约束条件下目标函数的最优解；其中目标函数根据不同设计需求选取，如质量、体积和应变能等；约束条件可选择结构体积比、单元应力应变，材料屈服极限等设计指标；变密度法的拓扑优化数学模型如公式2所示：

Minimize C_w(ρ)＝∑w_iC_i(ρ)

Subject to:

0≤ρ≤1

(公式2)

式中：ρ为单元材料密度，C_w(ρ)为优化目标(加权应变能)，C_i(ρ)为第i种工况加权应变能，w_i为第i种工况的权重因子，f(ρ)为优化响应函数，分别为约束条件上、下限，N为约束条件数量；

根据拓扑优化结果，选取合适的密度阈值以确定拓扑构型，其中，该密度阈值取值范围为0.2～0.3。

步骤S15，根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构件的概念设计模型，具体包括：

根据基本构型确定载荷传递路线和材料密度分布；

根据成型工艺要求选择成型工艺以及装配关系，成型工艺包括铸造、锻造、冲压；

经过上述的细化完善获得初步满足结构和功能需求的开发结构件概念设计模型。

步骤S16，应用尺寸优化技术，获得开发结构件的概念设计模型的各参数最优方案以及优化设计模型；具体包括：

根据所获得的概念设计模型中的控制参数(如材料的厚度以及界面的形状等)，通过应用尺寸优化技术求解获得满足一定约束条件下设计参数的最后方案，进而确定优化设计模型；

优化设计模型如下：

Minimize V(X)

Subject to:f_j(X)≥0， j＝1,…,N

其中：X＝[x₁,x₂,…,x_M]^T为优化设计变量，分别为设计变量的上、下限，M，N分别为设计变量和约束条件的数量，f_j(X)，V(X)表示约束函数和目标函数。

步骤S17，在获得优化设计模型之后，进行样件试制及实验验证，验证优化设计方案可行性与可靠性，确定最终设计模型。

可以理解的是，在步骤S10中，根据整车开发目标设定关键结构件性能指标，更偏向于全新开发结构件的需要，对于已有结构件的优化设计时，可以沿用原结构件的性能指标；

在步骤S16中，根据结构的具体特点和成型工艺的选择进行选用。对于采用板材成型的结构件(如冲焊成型的控制臂)，应用步骤S16中够获得结构各部分材料厚度的优化方案；对于圆柱形等规则锻造件(如锻造成型的连接杆)，应用步骤S16中能够获得截面的形状优化；而对于转向节等非规则形状结构件，该步骤S16中的实施可行性相对较弱，故步骤S16根据实际情况选用；

步骤S17中，是对最终优化方案的可靠性评估和产品验证，也作为优选步骤，能够更好地验证结构优化设计方法的可靠性和可行性。

下述将结合一个实施的案例对本发明提供的一种汽车悬架关键结构件优化设计方法进行进一步的说明。

在本案例中，是采用本发明提供的方法进行多连杆后悬架下控制臂的开发。

在本案例中，开发车型后悬架采用多连杆形式，其中下控制臂根据强度和成本要求，需要采用冲焊的成型工艺重新开发设计。关键结构件包括减振器、转向节、竖拉杆、前束臂、横向稳定杆、稳定杆拉杆、上控制臂，开发的目标结构件为下控制臂(线面模型)，悬架系统各部分示意图如图2所示，其中，标号1表示弹簧减振器，标号2为上控制臂，标号3为稳定拉杆，标号4为转向节，标号5为竖拉杆，标号6为前束臂，标号7为横向稳定杆，标号8为车身安装点，标号9为副车架安装点，标号10为下控制臂线面模型。现对采用本发明提供的方法进行开发的过程描述如下。

按照步骤S10，选择悬架系统的分析工况包括转向工况，起步工况，制动工况，倒车制动四种典型工况开展动力学分析，动力学仿真中设定下控制臂与周边关联件的运动间隙要求为10mm，满足的性能目标包括强度刚度满足材料破坏极限，疲劳耐久性能满足台架及路试要求。

按照步骤S11，选取行车典型工况获得悬架系统连接点载荷输出，包括步骤S10确定的转向工况，起步工况，前进制动和倒车制动四个工况，通过动力学软件ADAMS获得悬架下控制臂各工况下载荷如表1所示。

表1

按照步骤S12，搭建多连杆后悬架机构运动学模型，约束类型及运动副定义按照图3的关系图确定，驱动方式为测试台的直线驱动(驱动自由度数为1)。模型共包含运动部件11个(系统自由度数为66)，运动副16个(约束自由度数为65)，满足机构运动学系统自由度公式。

通过CATIA软件的DMU仿真可以获得周边零部件的相对运动包络，并重新装配构建下控制臂的空间包络约束(如图4)，开展下控制臂初始设计域设计。按照悬架系统设计要求，下控制臂与周边件的最小运动间隙为10mm，对应的在进行下控制臂初始设计域外表面构建时，曲面与空间包络约束之间最小相对距离为10mm。经过曲面设计与特征构建即形成了有限元优化的初始设计域。在图4中，标号20为上控制臂包络，标号40为转向节包络，标号50为竖拉杆包络，标号60为前束臂包络，标号70为横向稳定杆及拉杆包络，标号100为下控制臂初始设计域。

按照步骤S13，在有限元结构分析和优化软件OptiStruct软件中，以步骤S12所获得的初始设计域为下控制臂的几何空间进行材料定义和网格划分得到，采用四面体单元进行单元划分，设定网格最小尺寸为2.5mm，获得有限元模型包含节点36267个，单元168780个。单元材料选用QSTE380，弹性模量为205GPa，泊松比为0.3，材料屈服极限为380MPa。约束边界条件为下控制臂前后衬套中心点处三向平移和旋转自由度全约束，在转向节、竖拉杆节点处施加步骤S11获得的节点等效载荷。得到图5所示的初始设计域的有限元分析模型，其中，区域A为非设计区域，区域B为设计区域，C点为载荷位置点，D1为后衬套约束点，D2点为前衬套约束点。

按照步骤S14，应用拓扑优化技术对步骤S13所得到的下控制臂初始设计域进行优化，在OptiStruct软件中完成拓扑优化模型参数定义，以加权应变能为优化目标，约束条件为下控制臂单元的等效应力(Von-Mises)不超过材料屈服局限，四种典型工况的权重因子分别取0.25开展优化问题的拓扑优化求解。取单元密度阈值为0.15所得到单元密度拓扑分布云图所图6示。

按照步骤S15，综合考虑制造工艺及成本控制要求，及步骤五所得到的基本构型开展下控制臂概念设计。采用冲压成型进行下控制臂生产。其中上下本体面分别采用钢板冲压后拼焊成型，转向节安装支架采用冲压成型后与本体焊接成型。根据工艺与加工定位需要在下控制臂本体面设计加强筋及工艺孔，最终获得下控制臂的基本几何构型如图7所示。

按照步骤S16，应用尺寸优化对步骤S15所获得的下控制臂概念模型各参数开展优化，确定下控制臂各组成部分及安装支架的厚度，以减少结构的材料冗余，实现轻量化设计与成本控制的目标。在OptiStruct软件中设置尺寸优化相关参数。以最小化材料体积为目标函数，约束条件为下控制臂本体单元Von-Mises应力值不超过材料屈服局限，完成下控制臂优化模型建立。计算获得优化设计参数及优化结果如表2所示。

表2

按照步骤S17，将步骤七获得的优化设计方案制成样件，并开展对应台架试验和强度耐久试验。其中台架试验将车身连接衬套固定，在转向节安装中心点加载极限载荷，疲劳耐久试验下控制臂本体未出现结构开裂或失效；将样件装车开展强度耐久路试，下控制臂本体及支架均未出现失效或显著变形，结构强度满足设计要求。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

本发明实施例提供的一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，其结合多体动力学、机构运动学和有限元优化技术，针对汽车悬架关键结构件优化设计方法，适合于开发设计阶段或已量产悬挂结构件的改进和优化设计；

本发明实施例在现有技术方案基础上，从开发思路和设计流程上完善深入，形成了悬架关键结构件优化设计的完整流程和实施方法。

特别的，本发明实施例提供了优化设计中，初始设计域的设计依据和确定方法。该方法能够有效解决解决关键结构件开发中容易出现的运动干涉问题，并将运动最小间距的设计要求在开发过程中考虑避免，降低了开发风险，同时也使得整个开发思路和设计流程更加明确严谨。

本发明实施例所提供的设计方法能够有效地缩短悬架关键结构件的开发周期，降低研发成本，并为汽车其他系统零部件的轻量化设计提供参考。

可以理解的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，该的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统动力学模型，并结合行车工况中不同工况的轴荷配比与零部件疲劳强度要求，获得典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷，所述典型工况至少包括转向工况，起步工况，制动工况和倒车制动；

根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域；

根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型，包括进行有限元前处理和载荷边界确定；

在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布并确定开发结构件的基本拓扑构型；

根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构件的概念设计模型；

应用尺寸优化技术，获得所述开发结构件的概念设计模型的各参数最优方案以及优化设计模型。

2.如权利要求1所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，进一步包括预先确定悬架系统开发方案的步骤，包括：

根据整车开发目标，确定悬架系统开发方案并设定关键结构件性能指标目标，其中，所述悬架系统开发方案至少包括悬架形式，分析工况，零部件方案和动态运动间隙；所述关键结构件至少包括转向节、控制臂和方向杆；所述性能目标至少包括结构件刚度强度、模态和疲劳耐久性能。

3.如权利要求2所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，所述根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据所述关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域的步骤包括：

根据所述悬架系统开发方案搭建悬架机构运动学模型，包括确定模型固定件与运动件数量，依据零部件的连接关系确定相应的运动副约束和驱动方式，并校核所建立模型能否满足运动学自由度校核公式；

其中自由度校核公式如公式1所示；

式中：N为系统运动部件数，f_i为各运动副约束自由度数，F_D为系统驱动自由度数；

根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束；

并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域。

4.如权利要求3所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，所述根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束的步骤包括：

在CATIA软件的DMU模块中，在完成悬架系统DMU模型定义并驱动仿真的基础上，利用运动包络输出的功能，以开发结构件为运动参考输出相关零部件的运动包络，获得其他零部件的相对运动包络；

以开发结构件为固定零件，将所有悬架零部件的相对运动包络依次装配形成新的装配模型，从而获得开发结构件的空间包络约束。

5.如权利要求4所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，所述并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域的步骤包括：

将所述开发结构件的空间包络约束与所述悬架系统开发方案中要求的悬架动态运动间隙进行的叠加，即获得了满足悬架运动间隙要求下开发结构件的最大设计空间，而两者的最小空间距离即等效为运动过程中的最小间隙，从而确定了有限元优化初始设计域。

6.如权利要求5所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开发结构件初始设计域的有限元分析模型的步骤包括：

以所获得的初始设计域作为开发结构件的几何空间进行有限元前处理，包括根据材料参数和尺寸规格进行材料定义和网格划分；

根据所述典型工况下悬架结构件连接点输入载荷边界。

7.如权利要求6所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型的步骤包括：

在所述有限元分析模型基础上，基于变密度法进行开发结构件的拓扑优化设计，获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型；

其中，变密度法将单元材料密度作为设计变量在0～1之间连续变化，求解满足特定约束条件下目标函数的最优解；其中目标函数为质量、体积或应变能；约束条件为结构体积比、单元应力应变或材料屈服极限；变密度法的拓扑优化数学模型如公式2所示：

式中：ρ为单元材料密度，C_w(ρ)为优化目标，即加权应变能，C_i(ρ)为第i种工况加权应变能，w_i为第i种工况的权重因子，f(ρ)为优化响应函数，分别为约束条件上、下限，N为约束条件数量；

根据拓扑优化结果，选取合适的密度阈值以确定拓扑构型，所述密度阈值取值范围为0.2～0.3。

8.如权利要求7所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，所述根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构件的概念设计模型的步骤包括：

根据基本构型确定载荷传递路线和材料密度分布；

根据成型工艺要求选择成型工艺以及装配关系，所述成型工艺包括铸造、锻造、冲压；

获得开发结构件概念设计模型。

9.如权利要求8所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，所述应用尺寸优化技术，获得概念设计模型各参数最优方案及优化设计模型的步骤包括：

根据所述所获得的概念设计模型中的控制参数，通过应用尺寸优化技术求解获得满足一定约束条件下设计参数的最后方案，进而确定优化设计模型，所述控制参数至少包括材料的厚度以及界面的形状；

所述优化设计模型如下：

Minimize V(X)

Subject to:f_j(X)≥0，j＝1,…,N

<mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>U</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msubsup> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>M</mi> </mrow>

其中：X＝[x₁,x₂,…,x_M]^T为优化设计变量，分别为设计变量的上、下限，M，N分别为设计变量和约束条件的数量，f_j(X)，V(X)表示约束函数和目标函数。

10.如权利要求9所述的汽车悬架关键结构件优化设计方法，其特征在于，进一步包括：在获得优化设计模型之后，进行样件试制及实验验证，确定最终设计模型。