某中卡駕駛室前懸置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

陳小華

摘 要：本文旨在通過某中卡駕駛室前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，闡述如何在給定空間，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結(jié)構(gòu)最大限度地實(shí)現(xiàn)輕量化。 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程大致為假設(shè)-分析-校核-重新設(shè)計(jì)，有時(shí)這個(gè)過程需要重復(fù)多次，很難找出最佳設(shè)計(jì)方案，用材裕度一般較大。本文前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，直接優(yōu)化出其結(jié)構(gòu)材料的最佳布局從而實(shí)現(xiàn)前懸置的輕量化。其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法過程如下：確定前懸置相關(guān)的極限強(qiáng)度工況（七種）和安全法規(guī)要求的前拍工況，運(yùn)用多體軟件建立中卡整車模型，分析提取極限強(qiáng)度工況載荷；建立駕駛室前拍工況模型，計(jì)算提取前拍工況載荷；建立前懸置的優(yōu)化模型，施加前面提取的工況載荷，以優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域密度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，把各工況下的計(jì)算應(yīng)力和體積作為響應(yīng)，把材料屈服強(qiáng)度作為約束邊界，以體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，從而得出前懸置結(jié)構(gòu)材料的最佳布局方式。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出的樣件一次性通過了實(shí)際強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗(yàn)，這一優(yōu)化方法大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗(yàn)時(shí)間，也節(jié)省了開發(fā)試驗(yàn)費(fèi)用。也說明CAE技術(shù)在產(chǎn)品概念開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段具有重要的指導(dǎo)參考作用。

關(guān)鍵詞：前懸置 輕量化 多工況 拓?fù)鋬?yōu)化

Topology Optimization Design of Front Mounting of a Medium Truck Cab

Chen Xiaohua

Abstract：This paper aims to explain how to find the best layout of the material according to the use requirements of the vehicle structure in a given space through the structural optimization design process of the front suspension of a medium-truck cab， so as to maximize the lightweight of the vehicle structure. The traditional structural optimization design process is roughly divided into? hypothesis， analysis， check， redesign. Sometimes this process needs to be repeated many times， and it is difficult to find the best design scheme， and the material margin is generally large. In the structural optimization design of the front suspension in this paper， the optimal layout of its structural materials is directly optimized to achieve the lightweight of the front suspension. The optimization design method process is as follows： to determine the ultimate strength working conditions related to the front suspension （seven types） and the front shooting conditions required by safety regulations， use multi-body software to establish the vehicle model of medium truck， and analyze and extract the load of the ultimate strength condition， and the model of the pre-cab shooting condition， and calculate the load of the extraction pre-shooting condition. The optimization model of the front suspension is established， the load of the working conditions extracted in front is applied， the density of the optimization design area is used as the optimization design variable， the calculated stress and volume under each working condition are taken as the response， the yield strength of the material is used as the constraint boundary， and the minimum volume is used as the optimization goal for optimization analysis， so as to obtain the optimal layout method of the pre-suspension structural material. According to the optimization results， the sample designed by the designer passed the actual strength test verification and the bottom test of the collision safety pre-shooting condition at one time， which greatly shortened the development cycle and test time of the front suspension structure， and also saved the development test cost. It also shows that CAE technology has an important guiding reference role in product concept development and product design stage.

Key words：front overhang， lightweight， multi-condition， topology optimization

1 緒論

汽車輕量化不僅會(huì)減少結(jié)構(gòu)用材，而且會(huì)使整車動(dòng)力性提高，制動(dòng)安全距離縮短，燃油消耗率降低，同時(shí)降低尾氣排放量，據(jù)統(tǒng)計(jì)車輛每減重10%，每百公里可節(jié)省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少7%左右[1]。

國務(wù)院發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，要求到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；商用車新車燃料消耗量接近國際先進(jìn)水平[2]。為了應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)格的法規(guī)要求和響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保需要，我們福田在汽車輕量化工作上進(jìn)行攻難刻堅(jiān)，開展了大量工作，如其中某中卡駕駛室前懸置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

最初的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程是設(shè)計(jì)-試制-測(cè)試，有時(shí)這一過程需要反復(fù)多次；當(dāng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAE技術(shù)得到廣泛運(yùn)用時(shí)，經(jīng)過CAE虛擬驗(yàn)證分析，當(dāng)分析結(jié)果不滿足使用要求時(shí)，直接更改設(shè)計(jì)，直到CAE虛擬驗(yàn)證分析通過，才進(jìn)行試制和測(cè)試，這一方式可以在很大程度上縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少試制試驗(yàn)的次數(shù)和費(fèi)用，但這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一般很難找出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。如果想進(jìn)一步縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，直接找出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，就需要用采用基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其過程大致可歸納為設(shè)計(jì)-CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化-試制-測(cè)試幾個(gè)階段。

下文所述某中卡駕駛室前懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)所采用的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)就屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的常用手段。下文將從以下幾個(gè)方面對(duì)前懸置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行論述：

（1）使用工況和邊界載荷確定；（2）前懸置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；（3）實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證；（4）結(jié)論。

2 邊界載荷確定

2.1 確定使用工況

因中駕駛室前懸置（結(jié)構(gòu)位置如下圖1所示），是重要的承載安全件。在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就需要充分考慮沖擊、轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)等各種極限強(qiáng)度工況，因GB26512商用車安全法規(guī)要求，前懸置結(jié)構(gòu)還需要考慮前拍、頂壓工況。

2.2 整車多體模型的建立和強(qiáng)度工況載荷提取

整車多體模型的建立：運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS CAR建立前、后懸架系統(tǒng)；柔性體車身、車架等關(guān)鍵子系統(tǒng)。

前后懸架：根據(jù)相應(yīng)的懸架類型，選擇相應(yīng)的模板，建立前后懸架結(jié)構(gòu)。

卡車類板簧懸架結(jié)構(gòu)，需要先建立板簧，然后導(dǎo)入懸架模板；根據(jù)懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，修改模板硬點(diǎn)、襯套剛度、緩沖塊剛度、緩沖塊間隙、減振器極限長度及懸架零部件的質(zhì)量，修訂輪胎剛度及質(zhì)量、軸距、質(zhì)心高度、制動(dòng)力分配等參數(shù)。然后進(jìn)行校驗(yàn)，運(yùn)行懸架平行輪跳，保證空載點(diǎn)和滿載點(diǎn)的軸荷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

柔性體車身：白車身的柔性體模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)建立，附加車門、座椅、前風(fēng)擋、內(nèi)飾、儀表板等的附加質(zhì)量，保證車身質(zhì)心位置準(zhǔn)確；如有車身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，應(yīng)調(diào)節(jié)模型的附加質(zhì)量，使柔性體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和提供的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)盡量一致。

柔性體車架：車架柔性體建立時(shí)，應(yīng)保證車架各連接點(diǎn)的位置準(zhǔn)確，對(duì)于小質(zhì)量點(diǎn)的附加質(zhì)量，可以直接附加在車架柔性體上，而對(duì)于較大的附加質(zhì)量，則應(yīng)在多體模型中建立和固連，固連時(shí)應(yīng)選擇合適的有限元單元類型。輸出柔性體后時(shí)，應(yīng)對(duì)車架柔性體的前幾階模態(tài)值進(jìn)行校驗(yàn)，保證輸出的車架柔性體準(zhǔn)確。

整車多體模型建立過程如下圖2所示：

強(qiáng)度工況載荷提?。河蓤D1可知，前懸置由鉸接點(diǎn)處分為上下兩部分，即前上懸置和前下懸置，且其結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱狀態(tài)，因而前懸置的優(yōu)化需要考慮對(duì)稱工況。極限強(qiáng)度工況分析時(shí)需要提取的強(qiáng)度工況有：（1）垂向沖擊工況；（2）左轉(zhuǎn)彎工況；（3）右轉(zhuǎn)彎工況；（4）左前右后扭轉(zhuǎn)工況；（5）右前左后扭轉(zhuǎn)工況；（6）緊急制動(dòng)工況；（7）急加速工況；

運(yùn)用ADAMS CAR里的準(zhǔn)靜態(tài)分析工況和Testrig分析工況分別對(duì)左轉(zhuǎn)彎工況、右轉(zhuǎn)彎工況、緊急制動(dòng)工況、急加速工況和垂向沖擊工況、左前右后扭轉(zhuǎn)工況、右前左后扭轉(zhuǎn)工況一一進(jìn)行分析求解，然后對(duì)各工況下懸置所受到的極限載荷進(jìn)行提取，提取結(jié)果如表1、表2所示：

2.3 碰撞安全前拍模型的建立和載荷提取

請(qǐng)碰撞安全室相關(guān)人員協(xié)助提取駕駛室在被動(dòng)安全前拍工況下前懸置所受到的極限載荷，圖3為運(yùn)用LS-dyna工具軟件建立好的前拍模型。

根據(jù)國家法規(guī)GB26512要求，在對(duì)駕駛施加44.1KJ的初始碰撞能量拍擊駕駛室前段時(shí)，司乘人員需要具有一定的生存空間，即前懸置有足夠的強(qiáng)度，前拍工況中前懸置的應(yīng)變不超過2%時(shí)，前懸置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足前拍工況要求。

模擬擺錘拍擊駕駛室工況的方法，在擺錘繞上軸線向下旋轉(zhuǎn)到和駕駛室前段剛好接觸狀態(tài)時(shí)，給擺錘施加一個(gè)初速度，此速度使擺錘的動(dòng)能剛好為44.1KJ，然后進(jìn)行高度非線性碰撞計(jì)算，模擬前拍工況前懸置和駕駛室的變形。

初速度計(jì)算公式：

擺錘對(duì)駕駛室前拍工況的分析計(jì)算結(jié)果如下圖4所示，分析前懸置的最大應(yīng)變量，當(dāng)最大應(yīng)變不超過2%時(shí)，提取前上懸置、前下懸置連接點(diǎn)的極限載荷。

前懸置在駕駛室前拍工況的載荷提取結(jié)果如表3所示：

下懸置連接點(diǎn)在前拍工況下極限載荷和表3類似，這里省略。

3 前懸置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 前懸置有限元優(yōu)化模型的建立

根據(jù)上下懸置安裝連接位置，上下懸置的鉸接點(diǎn)，在其布局空間生成初步的包絡(luò)體，然后把安裝連接位置和懸置的鉸接點(diǎn)區(qū)域從其他區(qū)域分割開，作為非優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，其他區(qū)域全作為優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，然后生成上、下懸置結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型，對(duì)安裝連接點(diǎn)施加邊界約束、把前面提取的強(qiáng)度極限工況和駕駛室前拍工況載荷，施加于懸置的鉸接點(diǎn)，建立起前上、下懸置的有限元優(yōu)化模型如下圖5、圖6所示：

3.2 結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

目前拓?fù)鋬?yōu)化所采用的主要算法有：均質(zhì)化方法、相對(duì)密度法和進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法三種，因均質(zhì)化方法在平面問題應(yīng)用的較為廣泛，進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法可以對(duì)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)大的區(qū)域增加材料，而前上、下懸置可利用空間受限，所以采用相對(duì)密度法對(duì)前懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

相對(duì)密度法是一種常用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，其基本思想是不引入微結(jié)構(gòu)，而是引入一種假想的相對(duì)密度在0～1之間可變的材料。它吸取了均質(zhì)化方法中的經(jīng)驗(yàn)和成果，直接假定設(shè)計(jì)材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關(guān)系。其中應(yīng)用的比較多的模型是SIMP （solid isot ropic microst ructure with penalization） 法，其基于最小柔度的優(yōu)化模型如下[4]：優(yōu)化時(shí)以單元的相對(duì)密度xe為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，這樣結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題被轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)分布問題。

把上、下懸置材料ZG270_550密度設(shè)置為優(yōu)化變量，把各工況下的計(jì)算應(yīng)力和體積作為響應(yīng)，材料的屈服強(qiáng)度作為邊界約束條件，把體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，駕駛室前上、下懸置的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果密度等值云圖如下圖7、圖8所示：

3.3 由優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)前懸置結(jié)構(gòu)

把優(yōu)化結(jié)果生成OSSMooth模型，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)OSSMooth模型輪廓，并結(jié)合結(jié)構(gòu)加工工藝，重新設(shè)計(jì)出前懸置結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示：優(yōu)化前上、下懸置重量分別為21.8Kg和9.5Kg優(yōu)化后降重至15.8Kg和6.8Kg，降重量分別達(dá)到27.5%和28.4%。優(yōu)化后強(qiáng)度和剛度略有下降，但虛擬分析結(jié)果滿足極限工況和被動(dòng)安全的前拍工況使用要求。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)虛擬驗(yàn)證分析

因極限強(qiáng)度工況載荷比碰撞安全前拍工況載荷小很多，因而只對(duì)前拍工況進(jìn)行虛擬驗(yàn)證分析，把圖3所示駕駛室前拍模型中的前懸置替換為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行前拍工況模擬分析，其應(yīng)變分析結(jié)果如下圖11所示，可見其強(qiáng)度滿足使用要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的前懸置結(jié)構(gòu)，制作了試驗(yàn)樣件并通過了定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場的可靠性壞路強(qiáng)化試驗(yàn)，隨后在天津一次性通過了駕駛室前拍工況的摸底試驗(yàn)。本次通過對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的運(yùn)用，大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗(yàn)時(shí)間。

5 結(jié)論

通過某中卡駕駛室前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，論述了如何在給定空間，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結(jié)構(gòu)最大限度地實(shí)現(xiàn)輕量化。

汽車輕量化不僅會(huì)減少結(jié)構(gòu)用材，而且會(huì)使燃油消耗率降低，同時(shí)降低尾氣排放量，據(jù)統(tǒng)計(jì)車輛每減重10%，每百公里可節(jié)省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少7%左右[1]。國務(wù)院發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，提出了非常嚴(yán)格的降油耗要求，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常以校核為目的，很難找出最佳設(shè)計(jì)方案，用材裕度較大。而此次前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的弊端，采用了當(dāng)前一系列的新技術(shù)手段，如多體載荷分解，多工況多約束邊界組合，采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式，直接優(yōu)化出駕駛室前懸置結(jié)構(gòu)材料的最佳布局而實(shí)現(xiàn)了前懸置的輕量化設(shè)計(jì)。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出的樣件一次性通過了實(shí)際強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗(yàn)，這一優(yōu)化方法大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗(yàn)時(shí)間，也節(jié)省了開發(fā)試驗(yàn)費(fèi)用。說明CAE中的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的重要手段，同時(shí)也說明CAE技術(shù)在產(chǎn)品概念開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段具有重要的指導(dǎo)參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳．基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)? 北京.

機(jī)械工業(yè)出版社 2007.

[2]陳軍．MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例? 北京 中國水利水電出版社 2008.

[3]陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]，2004.