基于拓撲優(yōu)化的新能源汽車擺臂輕量化設(shè)計

黃福洲 蔡劍 王德遠 孫輝 吳澤勛

摘要：為對某新能源車型前懸掛下擺臂進行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，運用懸掛動力學(xué)模型提取擺臂各連接點在各工況下的靜載荷，結(jié)合拓撲優(yōu)化分析方法，獲得擺臂的最佳傳力路徑和材料分布，明確輕量化優(yōu)化方向。優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后的擺臂強度滿足設(shè)計要求，質(zhì)量減小27%。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;下擺臂;拓撲優(yōu)化;輕量化

中圖分類號：U463.335;TB115.1

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0038-04

0?引?言

目前，各國關(guān)于汽車環(huán)保的法規(guī)要求越來越嚴格。為降低汽車能耗、增加汽車續(xù)航里程，汽車輕量化已成為汽車研發(fā)的重點。國內(nèi)外各大企業(yè)都投入高額的研發(fā)經(jīng)費，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和新材料的運用，對汽車輕量化進行多方位的研究，并已經(jīng)取得顯著成果。[1-3]擺臂是汽車懸掛系統(tǒng)的重要零部件，承受著復(fù)雜變化的載荷。在汽車行駛過程中，路面?zhèn)鬟f給車輪的載荷通過擺臂傳遞到車身。同時，擺臂與副車架連接硬點的布置和襯套方向的選擇，都對汽車的操控性和穩(wěn)定性有重要影響。[4]

本文對某新能源車型的前懸掛下擺臂進行研究，在保證強度和工藝滿足設(shè)計要求的情況下，進行輕量化設(shè)計。

1?擺臂強度載荷

運用多體動力學(xué)軟件Adams/Car搭建前懸掛動力學(xué)分析模型，根據(jù)整車和懸掛參數(shù)，結(jié)合擺臂強度工況，搭建前懸掛靜態(tài)仿真模型，提取擺臂各連接點的載荷，為拓撲優(yōu)化和強度校核提供輸入。分解后的擺臂連接點載荷見表1。

2?擺臂拓撲優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計貫穿于整個零部件設(shè)計研究過程中，能幫助工程師在眾多的方案中尋找最優(yōu)的設(shè)計方案。常用的優(yōu)化方法主要有拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等，其中拓撲優(yōu)化由于其創(chuàng)新性和算法先進性，被廣泛運用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中。近年來，鋁合金、鎂合金等輕量化材料在汽車制造中的運用比重越來越高，因此對零部件進行優(yōu)化分析意義重大。

2.1?拓撲優(yōu)化基礎(chǔ)理論

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是在指定設(shè)計空間內(nèi)尋找結(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑和最優(yōu)材料分布的一種優(yōu)化方法。[5-6]在進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計時，將設(shè)計區(qū)域的結(jié)構(gòu)離散成足夠多的單元，再運用優(yōu)化策略和準則，將不重要的單元從結(jié)構(gòu)中去除，剩余的單元即為結(jié)構(gòu)在指定工況下的最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)。目前，最常用的拓撲表達形式和材料差值模型方法有均勻化法、密度法和變厚度法等。

OptiStruct拓撲優(yōu)化的材料差值模型采用密度法。該方法將有限元模型設(shè)計區(qū)域內(nèi)每個單元的密度作為設(shè)計變量，該密度值在0～1范圍內(nèi)連續(xù)變化，并且在單元密度與單元材料的彈性模量E之間建立函數(shù)關(guān)系。[7]優(yōu)化后的單元密度接近于1，表示該單元處的結(jié)構(gòu)是主要傳力路徑，必須保留;優(yōu)化后的單元密度接近于0，表示該單元不是結(jié)構(gòu)的主要傳力路徑，可以去除該處結(jié)構(gòu)的材料。

2.2?OptiStruct拓撲優(yōu)化流程

優(yōu)化設(shè)計有三要素，即設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是指改變其值的大小從而可提高結(jié)構(gòu)性能的一組參數(shù);目標函數(shù)是指產(chǎn)品的最優(yōu)性能，是設(shè)計變量的函數(shù);約束條件是指在優(yōu)化過程中必須滿足的一些參數(shù)和性能要求。

式中：X=（x1，x2，…，xn）為設(shè)計變量，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的材料厚度、截面形狀等;f（X）為設(shè)計目標，如產(chǎn)品的各種力學(xué)性能、總質(zhì)量或者柔度等;g（X）和h（X）為需要進行約束的設(shè)計響應(yīng)，如結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)頻率、某點的位移或者某個部件的最大應(yīng)力等。

OptiStruct運用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，通過計算靈敏度構(gòu)造近似顯式模型，采用小步長迭代尋找最優(yōu)解，是工程上高效和穩(wěn)定的優(yōu)化算法。[5]OptiStruct內(nèi)部拓撲優(yōu)化流程見圖1。

3?汽車擺臂拓撲優(yōu)化

3.1?拓撲優(yōu)化模型

在進行拓撲優(yōu)化前，先建立符合要求的有限元模型。雖然擺臂為鈑金沖壓結(jié)構(gòu)，但考慮到拓撲優(yōu)化的效果，采用尺寸為1 mm的1階四面體單元建模，并保證厚度方向上至少分布3層單元。擺臂安裝點受力復(fù)雜，因此在進行拓撲優(yōu)化設(shè)計時，將安裝點附近以外的區(qū)域定為設(shè)計空間。擺臂拓撲優(yōu)化模型見圖2。

3.2?拓撲優(yōu)化參數(shù)

載荷工況的選擇對拓撲優(yōu)化分析結(jié)果的影響較大：當(dāng)工況定義不全面時，擺臂的主要受力特點易被忽略，拓撲優(yōu)化結(jié)果將為不合理的傳力路徑;當(dāng)工況選擇過多時，拓撲優(yōu)化的收斂難度和計算時間增加，而且容易給出偏保守的優(yōu)化結(jié)果，不利于為輕量化設(shè)計提供參考。因此，合理選擇拓撲優(yōu)化載荷工況至關(guān)重要。由擺臂連接點載荷可知，擺臂主要承受縱向力和橫向力，因此拓撲分析選擇擺臂縱向力和橫向力較惡劣的前行制動、極限轉(zhuǎn)彎和倒車沖擊3個工況。

將體積分數(shù)上限設(shè)為0.3，作為約束條件;目標函數(shù)是考慮3個載荷工況的權(quán)重柔度最小，即整體剛度最大化?？紤]到擺臂縱向剛度的重要性，選擇前行制動、極限轉(zhuǎn)彎和倒車沖擊3個載荷工況的權(quán)重因數(shù)依次為0.4、0.2和0.4。擺臂為鈑金沖壓結(jié)構(gòu)，不考慮拔模約束。

3.3?拓撲優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)計算，拓撲優(yōu)化后擺臂的最佳傳力路徑和材料分布見圖3，權(quán)重柔度收斂曲線見圖4。圖3圈中顯示為單元密度不大于0.3的結(jié)構(gòu)，

可認為此區(qū)域不是擺臂的主要傳力路徑，所以區(qū)域1、2、3和4的材料可被去除，這些區(qū)域是后續(xù)輕量化優(yōu)化設(shè)計的重點區(qū)域。

目標函數(shù)權(quán)重柔度是考慮3個工況的權(quán)重因數(shù)后的柔度加權(quán)和。從權(quán)重柔度收斂曲線可以看出，結(jié)構(gòu)的總?cè)岫仍?0次迭代后收斂，說明擺臂的剛度在滿足設(shè)計約束條件時達到最大，此時設(shè)計區(qū)域的單元密度分布即為結(jié)構(gòu)的最佳材料分布。

4?擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1?擺臂輕量化設(shè)計

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，重點對圖3中的4個區(qū)域進行改進。區(qū)域1、2、4位于翻邊處，翻邊的前后與襯套和球頭安裝點相連，是關(guān)鍵位置，因此將翻邊中間的高度適當(dāng)減小，并設(shè)置圓形過渡，避免應(yīng)力集中。區(qū)域3為加強筋處，此處添加直徑為32 mm的減重孔，并結(jié)合單元密度云圖，將擺臂本體厚度由3.0 mm減為2.5 mm。優(yōu)化后的擺臂結(jié)構(gòu)見圖5。

4.2?擺臂強度分析

為驗證輕量化設(shè)計后擺臂的性能是否滿足要求，結(jié)合強度工況和材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對其進行強度分析。擺臂材料為冷成型熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼板QSTE420TM。擺臂強度分析結(jié)果見表2和圖6～7。擺臂應(yīng)力最大工況為無定向路牙沖擊工況，最大應(yīng)力位置位于擺臂外點與轉(zhuǎn)向節(jié)連接翻邊處，最大應(yīng)力值為439.0 MPa，最大縱向屈曲載荷為12 446 N，均滿足強度要求。

5?結(jié)?論

（1）基于擺臂早期結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行拓撲優(yōu)化分析和輕量化設(shè)計，優(yōu)化后擺臂強度和屈曲性能均滿足設(shè)計要求，擺臂質(zhì)量由1.89 kg減至1.38 kg，減重約27%。

（2）拓撲優(yōu)化可有效分析擺臂的最佳傳力路徑和材料分布，為輕量化優(yōu)化提供合理的方向。

參考文獻：

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（編輯?武曉英）