CN111859721B - 一种汽车下摆臂优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车下摆臂优化设计方法，包括：建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型，采用有限元软件对有限元模型进行分析得到下摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力；建立下摆臂屈曲变形的参数化模型，以下摆臂的厚度、边缘筋高度以及纵向宽度为参数生成若干样本模型；采用有限元软件对若干样本模型进行分析得到若干横向截面力和若干摆臂重量值，建立若干样本模型的参数与若干横向截面力以及若干摆臂重量值之间的响应面模型；根据响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数。本发明用于避免摆臂与副车架连接螺栓断裂失效导致的断轴现象，提高了汽车的碰撞安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车结构优化领域，具体涉及一种汽车下摆臂优化设计方法。
背景技术
汽车碰撞安全领域是汽车的一个重要领域，碰撞安全仿真优化是研究汽车碰撞安全的重要技术手段，该技术目前在应对法规等工况的安全开发时非常有效，但在一些极限工况下汽车变形严重并有断裂失效发生时，对断裂失效的精确模拟及控制存在缺陷。其中，现有的技术方案在设计汽车的摆臂时，主要考虑的是摆臂的结构强度及疲劳耐久能否满足要求，以及螺栓的连接强度是否满足要求，而未考虑车轮受到的纵向撞击工况以下导致的断轴问题，且未考虑摆臂屈曲和连接螺栓失效的关联关系对碰撞事故中断轴的影响。
因此，现有汽车摆臂设计方法仍有待进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提出一种汽车下摆臂优化设计方法，以避免摆臂与副车架连接螺栓断裂失效导致的断轴现象，提高了汽车的碰撞安全性能。
为了实现本发明目的，本发明实施例提供一种汽车下摆臂优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型，采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力Fd；
步骤S2、建立下摆臂屈曲变形的参数化模型，基于所述参数化模型，以下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b为参数生成若干样本模型；其中，每一样本模型对应一组参数；
步骤S3、采用有限元软件对所述若干样本模型进行分析得到若干横向截面力Fs和若干摆臂重量值m，建立所述若干样本模型的参数与所述若干横向截面力Fs以及所述若干摆臂重量值m之间的响应面模型；
步骤S4、根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数；其中，所述优化目标为摆臂重量值m最小，所述约束条件为预设的Fs和Fd之间的大小关系；所述下摆臂结构参数包括下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b。
优选地，所述步骤S1中建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型包括：构建下摆臂、副车架、连接螺栓、转向节以及球铰，并设置连接螺栓断裂失效参数、将下摆臂设置为刚体、对副车架施加固定约束以及在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向的作用力F。
优选地，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S21、修改步骤S1建立的有限元模型，将下摆臂设置为可变形体、连接螺栓的材料属性设置为理想弹性材料、连接螺栓不设置断裂失效、对副车架施加固定约束，然后在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向位移载荷S；采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂屈曲时下摆臂位于连接螺栓处横向截面力最大值Fs；
步骤S22、采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数，根据所述若干组参数生成若干个样本模型。
优选地，其中，第i组参数表示为(ti,hi,bi)，ti为第i组参数的下摆臂厚度，hi为第i组参数的下摆臂边缘筋高度，bi为第i组参数的下摆臂纵向宽度，i为大于等于1的正整数；
其中，ti-1与ti不同，hi-1与hi不同，bi-1与bi不同。
优选地，所述步骤S22中所述采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数包括：
将所述修改后的有限元模型导入参数优化软件；
设置参数t、h和b的变化范围以及参数组的数量为N；其中，N为大于1的正整数；
所述参数优化软件根据所述修改后的有限元模型、参数t、h和b的变化范围以及参数组的数量进行分析得到N组参数。
优选地，所述进行分析得到N组参数具体采用试验设计(DOE,Design OfExperiment)的优化拉丁超立方法进行分析得到N组参数。
优选地，所述步骤S3中所述响应面模型用如下公式表示：
(mi,Fsi)＝f(ti,hi,bi)
其中，下摆臂的厚度ti、边缘筋高度hi以及纵向宽度bi为所述响应面模型的输入变量，摆臂重量值mi和横向截面力Fsi为所述响应面模型的响应变量。
优选地，所述步骤S4中根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数包括：
根据优化目标和约束条件对所述若干横向截面力Fs和所述若干摆臂重量值m进行筛选得到符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m；
根据符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m确定对应的下摆臂结构参数。
优选地，所述有限元模型中，所述下摆臂和所述副车架通过所述连接螺栓连接，所述下摆臂和所述转向节通过所述球铰连接。
优选地，所述步骤S4中所述预设的Fs和Fd之间的大小关系为0.85Fd≤Fs≤Fd。
本发明实施例具有如下有益效果：
本发明实施例提出的一种汽车下摆臂优化设计方法，以实现摆臂重量值m最小为优化目标，并根据摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力Fd作为设定约束条件，兼顾考虑下摆臂强度以及连接螺栓失效的情况，保证优化设计得到的下摆臂有足够的强度，又可以在某些撞击工况下摆臂先发生屈曲变形，避免螺栓失效而出现断轴现象。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述一种汽车下摆臂优化设计方法流程图。
图2为本发明实施例所述有限元模型结构示意图。
图3为本发明实施例所述有限元模型中下摆臂结构示意图。
附图标记：
下摆臂1，副车架2，连接螺栓3，转向节4，球铰5，下摆臂后安装点6，下摆臂与球铰连接点7。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如图1所示，本发明实施例一种汽车下摆臂优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型，采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力Fd；
步骤S2、建立下摆臂屈曲变形的参数化模型，基于所述参数化模型，以下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b为参数生成若干样本模型；其中，每一样本模型对应一组参数；
步骤S3、采用有限元软件对所述若干样本模型进行分析得到若干横向截面力Fs和若干摆臂重量值m，建立所述若干样本模型的参数与所述若干横向截面力Fs以及所述若干摆臂重量值m之间的响应面模型；
步骤S4、根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数；其中，所述优化目标为摆臂重量值m最小，所述约束条件为预设的Fs和Fd之间的大小关系；所述下摆臂结构参数包括下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b。
本实施例中，所述步骤S4中所述预设的Fs和Fd之间的大小关系优选但不限为0.85Fd≤Fs≤Fd。具体而言，下摆臂发生屈曲时的横向截面力Fs必须小于螺栓断裂时对应的横向截面力Fd，同时Fs不能太低否则纵向强度不够，因此本实施例中设置Fs大于0.85Fd。
具体而言，经所述步骤S4根据响应面模型、优化目标以及约束条件优化计算结束后得到参数t、h、b值，根据该参数t、h、b值输出得到的下摆臂为优化的最终结果。最终结果满足摆臂发生屈曲而螺栓不失效断裂，同时得到的下摆臂重量最轻，也达到了减重本的效果。
优选地，所述步骤S1中建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型包括：构建下摆臂、副车架、连接螺栓、转向节以及球铰，并设置连接螺栓断裂失效参数、将下摆臂设置为刚体、对副车架施加固定约束以及在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向的作用力F。
具体而言，本实施例中所述有限元模型结构如图2所示，其中，所述下摆臂1和所述副车架2通过所述连接螺栓3连接，所述下摆臂1和所述转向节4通过所述球铰5连接。
如图3所示为有限元模型中下摆臂结构，具体地，t为下摆臂的中部平板厚度、h球铰连接点7到下摆臂后安装点6之间的边缘筋高度，b为下摆臂纵向中部位置的宽度。
优选地，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S21、修改步骤S1建立的有限元模型，将下摆臂设置为可变形体、连接螺栓的材料属性设置为理想弹性材料、连接螺栓不设置断裂失效、对副车架施加固定约束，然后在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向位移载荷S；即在一定时刻内球铰的位移从零增加到S，采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂屈曲时下摆臂位于连接螺栓处横向截面力最大值Fs；
步骤S22、采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数，根据所述若干组参数生成若干个样本模型。
本实施例中，参数优化软件可以采用MeshWorks软件或Sculptor软件等来实现。
优选地，其中，第i组参数表示为(ti,hi,bi)，ti为第i组参数的下摆臂厚度，hi为第i组参数的下摆臂边缘筋高度，bi为第i组参数的下摆臂纵向宽度，i为大于等于1的正整数；
其中，ti-1与ti不同，hi-1与hi不同，bi-1与bi不同，也就是说，不同组参数的t、h、b都不同。
优选地，所述步骤S22中所述采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数包括：
将所述修改后的有限元模型导入参数优化软件；
设置参数t、h和b的变化范围以及参数组的数量为N；其中，N为大于1的正整数；t的变化范围为[t_l,t_u]，h的变化范围为[h_l,h_u]，b的变化范围为[b_l,b_u]，本实施例中，N优选为9。
所述参数优化软件根据所述修改后的有限元模型、参数t、h和b的变化范围以及参数组的数量进行分析得到9组参数。
优选地，所述进行分析得到9组参数具体采用试验设计(DOE,Design OfExperiment)的优化拉丁超立方法进行分析得到所述9组参数。
9组参数如下表一所示：
表一DOE设计矩阵
将9组值对应的模型分别输出得到9个有限元样本模型，然后采用有限元软件对所述若干样本模型进行分析得到若干横向截面力Fs和若干摆臂重量值m，其中，第i个有限元样本模型对应的摆臂重量值为mi、横向截面力为Fsi。
优选地，所述步骤S3中所述响应面模型用如下公式表示：
(mi,Fsi)＝f(ti,hi,bi)
其中，下摆臂的厚度ti、边缘筋高度hi以及纵向宽度bi为所述响应面模型的输入变量，摆臂重量值mi和横向截面力Fsi为所述响应面模型的响应变量。
表二参数及对应的响应面结果
| t值(mm) | h值(mm) | b值(mm) | Fs值(N) | m值(kg) | |
| 1 | t1 | h1 | b1 | Fs1 | m1 |
| 2 | t2 | h2 | b2 | Fs2 | m2 |
| 3 | t3 | h3 | b3 | Fs3 | m3 |
| 4 | t4 | h4 | b4 | Fs4 | m4 |
| 5 | t5 | h5 | b5 | Fs5 | m5 |
| 6 | t6 | h6 | b6 | Fs6 | m6 |
| 7 | t7 | h7 | b7 | Fs7 | m7 |
| 8 | t8 | h8 | b8 | Fs8 | m8 |
| 9 | t9 | h9 | b9 | Fs9 | m9 |
优选地，所述步骤S4中根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数包括：
基于表二的内容，根据优化目标和约束条件对所述若干横向截面力Fs和所述若干摆臂重量值m进行筛选得到符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m；约束条件为0.85Fd≤Fs≤Fd，筛选出满足约束条件的一组或多组参数，然后选取摆臂重量值m最小的一组参数。
根据符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m确定对应的下摆臂结构参数，筛选得到的摆臂重量值m对应的t、b和h即为优化计算得到的最优解，根据该最优解制作的下摆臂能够满足摆臂发生屈曲而螺栓不失效断裂，同时得到的下摆臂重量最轻，也达到了减重本的效果。
通过以上实施例的描述可知，本发明实施例具有以下优点：本发明实施例提出的一种汽车下摆臂优化设计方法，以实现摆臂重量值m最小为优化目标，并根据摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力Fd作为设定约束条件，兼顾考虑下摆臂强度以及连接螺栓失效的情况，保证优化设计得到的下摆臂有足够的强度，又可以在某些撞击工况下摆臂先发生屈曲变形，避免螺栓失效而出现断轴现象。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (8)
1.一种汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型，采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂与副车架之间的连接螺栓断裂时下摆臂横向截面力Fd；
步骤S2、建立下摆臂屈曲变形的参数化模型，基于所述参数化模型，以下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b为参数生成若干样本模型；其中，每一样本模型对应一组参数；
步骤S3、采用有限元软件对所述若干样本模型进行分析得到若干横向截面力Fs和若干摆臂重量值m，建立所述若干样本模型的参数与所述若干横向截面力Fs以及所述若干摆臂重量值m之间的响应面模型；
步骤S4、根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数；其中，所述优化目标为摆臂重量值m最小，所述约束条件为预设的Fs和Fd之间的大小关系；所述下摆臂结构参数包括下摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b；
所述步骤S1中建立下摆臂纵向承载能力分析的有限元模型包括：构建下摆臂、副车架、连接螺栓、转向节以及球铰，并设置连接螺栓断裂失效参数、将下摆臂设置为刚体、对副车架施加固定约束以及在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向的作用力F；
所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S21、修改步骤S1建立的有限元模型，将下摆臂设置为可变形体、连接螺栓的材料属性设置为理想弹性材料、连接螺栓不设置断裂失效、对副车架施加固定约束，然后在下摆臂与转向节连接的球铰上施加一个整车坐标系下X向正向位移载荷S；采用有限元软件对所述有限元模型进行分析得到下摆臂屈曲时下摆臂位于连接螺栓处横向截面力最大值Fs；
步骤S22、采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数，根据所述若干组参数生成若干个样本模型。
2.根据权利要求1所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，其中，第i组参数表示为(ti,hi,bi)，ti为第i组参数的下摆臂厚度，hi为第i组参数的下摆臂边缘筋高度，bi为第i组参数的下摆臂纵向宽度，i为大于等于1的正整数；ti-1与ti不同，hi-1与hi不同，bi-1与bi不同。
3.根据权利要求1所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述步骤S22中所述采用参数优化软件对修改后的有限元模型进行分析得到若干组参数包括：
将所述修改后的有限元模型导入参数优化软件；
设置摆臂的厚度t、边缘筋高度h以及纵向宽度b的变化范围以及参数组的数量为N；其中，N为大于1的正整数；
所述参数优化软件根据所述修改后的有限元模型、参数t、h和b的变化范围以及参数组的数量进行分析得到N组参数。
4.根据权利要求3所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述进行分析得到N组参数具体采用试验设计(DOE,Design Of Experiment)的优化拉丁超立方法进行分析得到N组参数。
5.根据权利要求1所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中所述响应面模型用如下公式表示：
(mi,Fsi)＝f(ti,hi,bi)
其中，下摆臂的厚度ti、边缘筋高度hi以及纵向宽度bi为所述响应面模型的输入变量，摆臂重量值mi和横向截面力Fsi为所述响应面模型的响应变量。
6.根据权利要求5所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4中根据所述响应面模型、优化目标以及约束条件进行优化计算得到满足要求的下摆臂结构参数包括：
根据优化目标和约束条件对所述若干横向截面力Fs和所述若干摆臂重量值m进行筛选得到符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m；
根据符合优化目标和约束条件的横向截面力Fs和摆臂重量值m确定对应的下摆臂结构参数。
7.根据权利要求1所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述有限元模型中，所述下摆臂和所述副车架通过所述连接螺栓连接，所述下摆臂和所述转向节通过所述球铰连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的汽车下摆臂优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4中所述预设的Fs和Fd之间的大小关系为0.85Fd≤Fs≤Fd。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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