CN112613120B - 汽车前副车架轻量化优化设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车前副车架轻量化优化设计方法，该设计方法通过首先对前副车架进行拓扑优化，找出可以减除的冗余材料；然后再对经拓扑优化后的前副车架进行多学科优化，并在在多学可以优化过程中，形成了一套用于前副车架多学科优化分析的设计流程模板，以解决当前前副车架轻量化优化设计过程中操作复杂，无标准化、规范化和流程化造成的设计优化结果不统一的问题。

Description

汽车前副车架轻量化优化设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种汽车前副车架轻量化优化设计方法及系统。

背景技术

对于前副车架分析而言，需要同时考虑模态、强度、动刚度等性能的要求，进行前副车架轻量化优化设计。因为前副车架上要安装很多系统，如动力系统、悬架系统等，在运动过程中，会受到来自上述系统的力的作用，因此前副车架的强度性能是保证前副车架正常工作的基础。同时，前副车架的模态和安装点动刚度对整车路噪性能具有重要的影响，因此，在前副车架轻量化优化时，还需要考察前副车架的模态和动刚度性能。

对于前副车架的轻量化优化，目前通常的做法往往是需要工程师手动进行大量的软件操作，包括前副车架数据的处理，网格划分，边界条件加载，提交计算，结果后处理，优化方案的验算等等一系列繁杂的操作。整个过程会花费大量的时间用于软件的设置，使得前副车架的开发周期较长，且由于整个过程需要大量的人为操作，造成不同的工程师进行分析设计得到的结果不尽相同。没有形成一套规范化、标准化的前副车架轻量化优化设计流程和标准。不利于前副车架的实际项目开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车前副车架轻量化优化设计方法，以解决当前前副车架轻量化优化设计过程中操作复杂，无标准化、规范化和流程化造成的设计优化结果不统一的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种汽车前副车架轻量化优化设计方法，该方法包括以下步骤：

S1：初始前副车架设计数据，建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

S2：选取所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，根据所述设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；

S3：选取所述有限元模型的参数变量，根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；

S4：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数。

所述S1具体包括：

S11：建立前副车架的初始设计数据；

S12：对三维模型进行有限元网格划分，得到所述有限元模型；

S13：对所述有限元模型进行边界条件放入设置和载荷的加载，计算前副车架的基础性能参数。

进一步地，所述设计变量包括前副车架的实体单元密度，所述约束条件包括前副车架的摆臂安装点动刚度分析值不小于其初始分析值，所述优化目标包括前副车架质量最小。

进一步地，所述参数变量包括前副车架各部件的料厚；此时，所述多学科参数化模型为根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建的前副车架各部件料厚的参数化模型。

进一步地，所述S4具体包括：

S41：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，根据S1计算得到的所述前副车架的基础性能参数设置设计优化性能约束和设计目标，构建前副车架的基础性能计算模型；

S42：根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化，得到优化后的前副车架的基础性能参数即为最优参数。

进一步地，所述前副车架的基础性能包括前副车架的强度性能、刚度性能和模态性能。

进一步地，所述基础性能计算模型为：

其中：

M——前副车架质量；

K_{arm_FL_Z}——前副车架左前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_FR_Z}——前副车架右前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_RL_X}——前副车架左后摆臂安装点X向等效动刚度值；

K_{arm_RR_X}——前副车架右后摆臂安装点X向等效动刚度值；

F_bend——前副车架整体弯曲模态频率值；

S_case4——第四个强度工况对应的前副车架最大应力值；

p1,p2,p3,p4......——前副车架优化参数。

进一步地，在根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化时，通过设置化迭代次数进行优化，且当设计目标变化小于预设阈值时停止求解；当满足收敛条件后，自动进行一次模型更新，更新的参数为求解的最优参数，并对最优参数进行验证分析。

此外，该发明还提供了一种车前副车架轻量化优化设计系统，包括：

有限元模型构建模块，用于建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

拓扑优化模块，用于根据选取的所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；

多学科优化分析模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；然后以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数。

进一步地，所述多学科优化分析模块包括：

ANSA模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；

Optistruct模块，用于以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析；

META模块，用于自动读取经多学科优化分析后的前副车架的基础性能参数。

本发明的有益效果为：通过首先对前副车架进行拓扑优化，找出可以减除的冗余材料；然后再对经拓扑优化后的前副车架进行多学科优化，并在在多学可以优化过程中，形成了一套用于前副车架多学科优化分析的设计流程模板，以解决当前前副车架轻量化优化设计过程中操作复杂，无标准化、规范化和流程化造成的设计优化结果不统一的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的流程图。

图2为本发明一个实施例的系统原理图。

图3为前副车架前下摆臂左前接附点动刚度曲线。

图4为前副车架前下摆臂左前接附点动刚度曲线。

图5为前副车架前下摆臂左前接附点动刚度曲线。

图6为前副车架前下摆臂右后接附点动刚度曲线。

具体实施方式

如图1所示的汽车前副车架轻量化优化设计方法，该方法包括以下步骤：

S1：初始前副车架设计数据，建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

S2：选取所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，根据所述设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；

S3：选取所述有限元模型的参数变量，根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；

S4：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数。

本发明通过首先对前副车架进行拓扑优化，找出可以减除的冗余材料；然后再对经拓扑优化后的前副车架进行多学科优化，并在在多学可以优化过程中，形成了一套用于前副车架多学科优化分析的设计流程模板，以解决当前前副车架轻量化优化设计过程中操作复杂，无标准化、规范化和流程化造成的设计优化结果不统一的问题。此外，该方法不仅能用于汽车前副车架的轻量化优化，还可应用于如空调、车辆附件、车身、电池管理系统、电池pack、智能制造技术领域。

下面对上述进行详细说明：

所述S1具体包括：

S11：建立前副车架的初始设计数据；设计时可采用三维CAD软件CATIA建立前副车架初始设计数据；

S12：对三维模型进行有限元网格划分，得到所述有限元模型；在建好三维模型，可将建好的三维模型导入到有限元分析前处理软件Hypermesh中，对前副车架进行数据处理，网格画分、施加边界条件和载荷，用于模态、强度和动刚度计算；

S13：对所述有限元模型进行边界条件放入设置和载荷的加载，计算前副车架的基础性能参数；其中所，述前副车架的基础性能包括前副车架的强度性能、刚度性能和模态性能，其具体计算方法为：

1、前副车架强度工况计算：

通过动力学模型提取前副车架在使用过程中的常用强度工况载荷，在有限元前处理软件Hypermesh中进行边界条件的设置及载荷的加载；

对应实际使用情况，约束前副车架与车身安装位置的全部自由度；

将前处理完成的强度计算模型，提交给有限元分析软件ABAQUS进行强度分析计算，得到前副车架在11个强度工况下的应力分布。初始分析结果显示前副车架在第4个强度工况下应力最大。

2、模态性能计算：

副车架是整车的关键总成，其性能的好坏直接影响到整车的性能和品质。为了在整车结构中避免共振，降低噪声，提高整车的NVH性能，通过对前副车架进行模态分析，确保其满足目标值；在有限元前处理软件Hypermesh中进行边界条件的设置：前副车架模态分析为约束模态分析，与车身的连接处采用刚性约束；求解频率：1-600Hz；模态求解方法：EIGRA。然后将前处理完成的模态计算模型，提交给有限元分析软件Optistruct进行模态分析计算，得到前副车架的整体弯曲模态。

3、动刚度性能计算：

前副车架是整车的关键总成，其性能的好坏直接影响到整车的性能和品质。为了在整车结构中避免共振，降低噪声，提高整车的NVH性能，通过前副车架进行接附点动刚度分析，确保其满足目标值。因前副车架是通过螺栓连接直接与车身相连，故在对前副车架进行接附点动刚度分析的时候，分析模型是白车身模型和前副车架模型。

动刚度分析理论为：

接附点动刚度：K_a＝F(t)/X(t)＝F(ω)/x(ω)(1)

加速度：a＝ω²x(2)

圆频率：ω＝2πf(3)

源点加速度导纳：

假设通过IPI分析得到的响应曲线，则计算得到该曲线与X轴所包围的面积则有：

得到该接附点的等效动刚度K_a：

通过该K_a值与动刚度目标值K_d值的比较，判断该接附点在该方向的等效动刚度是否合格。

在有限元前处理软件Hypermesh中进行边界条件的设置：在前副车架的摆臂安装点处施加X、Y、Z三个方向上的单位激励，求解频率范围：50-500Hz，模态求解方法：EIGRA。将前处理完成的模态计算模型，提交给有限元分析软件Optistruct进行模态分析计算，求解出来的动刚度曲线见图3-图6，前副车架的摆臂安装点等效动刚度值均满足目标值要求。

所述S2具体包括：

设计过程中可利用Optistruct对前副车架进行拓扑优化，ptistruct拓扑优化的材料模式采用密度法(SIMP方法)，即将有限元模型设计空间的每个单元“单元密度(Density)”作为设计变量。该“单元密度”同结构的材料参数有关(单元密度与材料弹性模量E之间具有某种函数关系)，0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1(或靠近1)表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0(或靠近0)表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效利用，实现轻量化设计。

在有限元前处理软件Hypermesh中，可按照前面求出的动刚度工况的边界条件的设置，以前副车架的实体单元密度作为设计变量，以前副车架的摆臂安装点动刚度分析值不小于其初始分析值作为优化约束，以前副车架质量最小作为优化目标。

式中：

M——前副车架质量；

ρ_i——前副车架实体单元密度；

IPI_arm——前副车架摆臂安装点动刚度；

然后将前处理完成的模态计算模型，提交给有限元分析软件Optistruct进行拓扑优化分析，再依据拓扑优化分析结果，对前副车架进行删除冗余材料的轻量化优化，得到前副车架的轻量化优化数据。

所述S3具体包括：

首先进行优化算法的设置，默认设置为通过径向基神经网络法创建响应面模型，优化算法为自适应模拟退火法。然后将经轻量化处理的有限元模型(强度、模态或动刚度模型中任意一个均可)导入到ANSA中，如模态分析有限元模型。选取前副车架各部件的料厚作为参数变量，创建前副车架各部件料厚的参数化模型。并在创建完模态分析的参数化模型后，通过ANSA的TaskManager将Task流程保存。

所述S4具体包括：

S41：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，根据S1计算得到的所述前副车架的基础性能参数设置设计优化性能约束和设计目标，构建前副车架的基础性能计算模型；具体来说，基础性能计算模型根据S1计算的到包括动刚度值、强度应力值、模态频率值和前副车架质量的前副车架基础性能参数，设置设计优化性能约束和设计目标，并以最小化前副车架质量为设计目标。

当约束动刚度值、强度应力值、模态频率值，此时上述基础性能计算模型为：

其中：

M——前副车架质量；

K_{arm_FL_Z}——前副车架左前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_FR_Z}——前副车架右前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_RL_X}——前副车架左后摆臂安装点X向等效动刚度值；

K_{arm_RR_X}——前副车架右后摆臂安装点X向等效动刚度值；

F_bend——前副车架整体弯曲模态频率值；

S_case4——第四个强度工况对应的前副车架最大应力值；

p1,p2,p3,p4......——前副车架优化参数。

S42：根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化，得到优化后的前副车架的基础性能参数即为最优参数。

下面分别对前副车架的动刚度、模态、强度分析优化流程做详细说明：

1、动刚度分析优化子流程

首先在LSOPT中的ANSA模块设置动刚度计算模型生成模块，通过前副车架的参数文件驱动ANSA自动生成动刚度计算模型，然后将生成的参数化模型传递给Optistruct计算模块，用于计算前副车架动刚度。再将前副车架动刚度的结果文件传递给META模块，自动读取动刚度计算结果，即摆臂安装点的等效动刚度值。

2、模态分析优化子流程

首先在LSOPT中的ANSA模块设置模态计算模型生成模块，通过前副车架的参数文件驱动ANSA自动生成模态计算模型，此参数文件动刚度分析优化过程中用的为同一个参数文件，以保证所有的计算模型都是协同一致的。将生成的模态分析参数化模型传递给Optistruct计算模型，用于计算前副车架的模态频率，计算完成后将模态分析结果文件传递给META模块，自动读取前副车架的整体弯曲模态频率和整体质量结果。

3、强度分析优化子流程

首先在LSOPT中的ANSA模块设置强度计算模型生成模块，通过前副车架的参数文件驱动ANSA自动生成强度计算模型，此参数文件动刚度分析优化过程中用的为同一个参数文件，以保证所有的计算模型都是协同一致的。将生成的强度分析参数化模型传递给ABAQUS计算模型，用于计算11个常用工况下的前副车架应力强度分布，计算完成后将强度分析结果文件传递给META模块，自动读取前副车架的应力结果。

在根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化时，通过设置化迭代次数进行优化，且当设计目标变化小于预设阈值(如取值0.05％-2％)时停止求解；当满足收敛条件后，自动进行一次模型更新，更新的参数为求解的最优参数，并对最优参数进行验证分析。

以上整个LSOPT前副车架多学科优化过程为固定的流程模板，每次进行前副车架优化分析时只需要调用该模板即可完成前副车架的优化过程，而不需要进行大量的优化求解参数的设置、模型的修改、结果的读取等繁杂的操作过程。

最后，经过上述得到满足所有性能要求，且设计质量最小的最优化前副车架设计，再将得到的最优参数的FEM模型导出为CAD数据，用于设计数据的重构，最终即可得到最优化设计的前副车架。

如图2所示，该发明还提供了一种车前副车架轻量化优化设计系统，包括：

有限元模型构建模块，用于建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

拓扑优化模块，用于根据选取的所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；

多学科优化分析模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；然后以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数。

其中，所述多学科优化分析模块包括：

ANSA模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；

Optistruct模块，用于以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析；

META模块，用于自动读取经多学科优化分析后的前副车架的基础性能参数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，包括：

S1：初始前副车架设计数据，建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

S2：选取所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，根据所述设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；所述设计变量包括前副车架的实体单元密度，所述约束条件包括前副车架的摆臂安装点动刚度分析值不小于其初始分析值，所述优化目标包括前副车架质量最小；

S3：选取所述有限元模型的参数变量，根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；所述参数变量包括前副车架各部件的料厚；此时，所述多学科参数化模型为根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建的前副车架各部件料厚的参数化模型；

S4：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数。

2.根据权利要求1所述的汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，

所述S1具体包括：

S11：建立前副车架的初始设计数据；

S12：对三维模型进行有限元网格划分，得到所述有限元模型；

S13：对所述有限元模型进行边界条件放入设置和载荷的加载，计算前副车架的基础性能参数。

3.根据权利要求1所述的汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，所述S4具体包括：

S41：以所述多学科参数化模型为设计流程模板，根据S1计算得到的所述前副车架的基础性能参数设置设计优化性能约束和设计目标，构建前副车架的基础性能计算模型；

S42：根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化，得到优化后的前副车架的基础性能参数即为最优参数。

4.根据权利要求1-3任一所述的汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，所述前副车架的基础性能包括前副车架的强度性能、刚度性能和模态性能。

5.根据权利要求4所述的汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，所述基础性能计算模型为：

其中：

M——前副车架质量；

K_{arm_FL_Z}——前副车架左前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_FR_Z}——前副车架右前摆臂安装点Z向等效动刚度值；

K_{arm_RL_X}——前副车架左后摆臂安装点X向等效动刚度值；

K_{arm_RR_X}——前副车架右后摆臂安装点X向等效动刚度值；

F_bend——前副车架整体弯曲模态频率值；

S_case4——第四个强度工况对应的前副车架最大应力值；

p1,p2,p3,p4......——前副车架优化参数。

6.根据权利要求5所述的汽车前副车架轻量化优化设计方法，其特征在于，在根据所述基础性能计算模型对前副车架进行多学科优化时，通过设置化迭代次数进行优化，且当设计目标变化小于预设阈值时停止求解；当满足收敛条件后，自动进行一次模型更新，更新的参数为求解的最优参数，并对最优参数进行验证分析。

7.一种汽车前副车架轻量化优化设计系统，包括：

有限元模型构建模块，用于建立前副车架的有限元模型，对前副车架进行数据处理，分析计算前副车架的基础性能参数；

拓扑优化模块，用于根据选取的所述有限元模型的设计变量、约束条件及优化目标，对所述有限元模型进行拓扑优化分析，得到前副车架的轻量化优化数据；所述设计变量包括前副车架的实体单元密度，所述约束条件包括前副车架的摆臂安装点动刚度分析值不小于其初始分析值，所述优化目标包括前副车架质量最小；

多学科优化分析模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；然后以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析，得到前副车架的最优参数；所述参数变量包括前副车架各部件的料厚；此时，所述多学科参数化模型为根据经拓扑优化后的所述有限元模型创建的前副车架各部件料厚的参数化模型。

8.根据权利要求7所述的汽车前副车架轻量化优化设计系统，其特征在于，所述多学科优化分析模块包括：

ANSA模块，用于根据选取所述有限元模型的参数变量以及经拓扑优化后的所述有限元模型创建前副车架的多学科参数化模型；

Optistruct模块，用于以所述多学科参数化模型为设计流程模板，对前副车架的基础性能进行多学科优化分析；

META模块，用于自动读取经多学科优化分析后的前副车架的基础性能参数。

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