基于Optistruct的某副車架尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

殷梅，王成龍

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

基于Optistruct的某副車架尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

殷梅，王成龍

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

本文結(jié)合某款新型乘用車副車架的開發(fā)要求，在副車架初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)其剛度和模態(tài)分析結(jié)果，提出了在滿足剛度和模態(tài)性能要求下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)比分析優(yōu)化前、后的計(jì)算結(jié)果可知，整體剛度和模態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后副車架的總質(zhì)量減少了1.26Kg，達(dá)到了副車架質(zhì)量減輕的目的。表明該優(yōu)化方案是正確的，具有一定的實(shí)用性，指導(dǎo)了新車副車架的開發(fā)，也為同類車型的副車架開發(fā)提供了一定的參考價(jià)值。

副車架；有限元；尺寸優(yōu)化

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-51-04

引言

研究表明， 汽車燃油消耗量與汽車自身總質(zhì)量成正比。隨著車輛的不斷增加!輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為降低車輛排放及節(jié)約能源的迫切需要。副車架作為車橋懸掛與車架之間的一個(gè)過渡構(gòu)件改變了以往車橋和懸掛直接連接在車架上的情況，變?yōu)橐愿避嚰転檫^渡。副車架作為懸架系統(tǒng)的骨架，是前橋最為關(guān)鍵的零部件之一，副車架的剛度和模態(tài)是評(píng)價(jià)車架性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，副車架必須有足夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求，同時(shí)必須有合理的動(dòng)態(tài)特性以控制振動(dòng)和噪聲。另外，車架還要盡可能輕以降低成本，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，所以輕量化也是副車架設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，如何在保證剛度和模態(tài)性能的前提下使車架的質(zhì)量盡可能低是副車架設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1、有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該副車架上需安裝動(dòng)力總成前、后懸置支架、轉(zhuǎn)向機(jī)支架、下擺臂連接支架以及穩(wěn)定桿安裝襯套、初步設(shè)計(jì)出來的副車架共由前、后橫梁，左右縱梁以及連接支架組成，上述結(jié)構(gòu)均為鈑金沖壓件。

采用前處理軟件Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分前需對(duì)幾何模型進(jìn)行清理，去除對(duì)分析結(jié)果影響小的小圓孔以及小圓角等幾何區(qū)域，以提高網(wǎng)格劃分的速度和保證網(wǎng)格的質(zhì)量。本文采用PSHELL單元進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分后的單元總數(shù)為88785，節(jié)點(diǎn)數(shù)為92417，在Hypermesh中賦予材料屬性和厚度，材料彈性模量為E=2.1*105MPa，泊松比為μ=0.3。

2、剛度及模態(tài)分析

隨著CAE技術(shù)在汽車零部件性能分析中的應(yīng)用，有限元分析技術(shù)已經(jīng)成為汽車結(jié)構(gòu)性能分析中必不可少的內(nèi)容。根據(jù)分析結(jié)果可以進(jìn)而對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化以提高相關(guān)的力學(xué)性能要求。

2.1 剛度分析邊界條件及載荷

有限元模型建立之后，剛度分析中約束副車架前后四個(gè)車身安裝點(diǎn)的第1、2、3個(gè)自由度，在各個(gè)安裝點(diǎn)的三個(gè)方向都施加1KN的載荷，如圖2所示。

2.2 剛度分析

表1 副車架各硬點(diǎn)的剛度值

將劃分好網(wǎng)格的副車架有限元模型以DAT格式導(dǎo)入到NASTRAN中進(jìn)行分析，利用NASTRAN軟件對(duì)其進(jìn)行十個(gè)硬點(diǎn)的剛度分析。剛度特性具有舉足輕重的作用，低剛度必然伴隨低的固有頻率， 易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和噪聲， 影響汽車的乘坐舒適性，直接或間接影響整車性能，因此要求安裝硬點(diǎn)的剛度值不小于其剛度目標(biāo)。表1為副車架的各硬點(diǎn)剛度值。通過計(jì)算剛度的計(jì)算結(jié)果可知，此副車架的剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析就是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的過程，它是有限元?jiǎng)討B(tài)分析的核心。副車架的低階振型對(duì)其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響程度比高階振型大，因此，低階振型決定了副車架的動(dòng)態(tài)特性。在對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于副車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)只與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與外部載荷及約束條件關(guān)系不大，故在計(jì)算時(shí)不考慮外部載荷和邊界條件，不施加任何載荷和約束，使其處于自由狀態(tài)。利用NASTRAN軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。表2為副車架的自由狀態(tài)下的模態(tài)值。

表2 副車架模態(tài)計(jì)算值

根據(jù)設(shè)計(jì)副車架的設(shè)計(jì)要求，其二階模態(tài)需達(dá)到190Hz,實(shí)際的計(jì)算值為187.7Hz，未能滿足副車架的性能要求，需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)。圖3為二階模態(tài)位移云圖。

3、副車架的輕量化設(shè)計(jì)

從分析結(jié)果中可以看出，副車架的整體剛度都滿足目標(biāo)要求，因此該副車架有較大的裕量，可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。但只是二階模態(tài)未能達(dá)到其性能目標(biāo)要求，該車的前副車架在自由狀態(tài)下的二階彎曲模態(tài)頻率為187.7 Hz，模態(tài)性能較差，不符合整車性能要求，因而需要對(duì)前副車架的模態(tài)性能進(jìn)行改善。

由于組成副車架的部件比較多，若應(yīng)用傳統(tǒng)方法通過更改某一部件尺寸修改后再進(jìn)行驗(yàn)證分析， 則設(shè)計(jì)效率將會(huì)很低。 而采用優(yōu)化分析的方法，通過設(shè)定一系列優(yōu)化參數(shù)，提交優(yōu)化軟件計(jì)算得出滿足條件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后再驗(yàn)證分析，將能夠大大提高設(shè)計(jì)效率， 并且可在保證性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)的目的。

本文利用Optistruct的尺寸優(yōu)化模塊對(duì)十個(gè)硬點(diǎn)的30個(gè)剛度工況和第二階模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這兩個(gè)指標(biāo)反映了副車架結(jié)構(gòu)最基本的靜動(dòng)態(tài)特性，此處的優(yōu)化要求優(yōu)化后的副車架依然滿足剛度性能要求，同時(shí)希望二階模態(tài)達(dá)到目標(biāo)值。本文應(yīng)用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將鈑金件的厚度作為優(yōu)化參數(shù)。在優(yōu)化結(jié)束后，還需要將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行分析，比較優(yōu)化前、后的剛度和模態(tài)是否滿足要求，最終實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1 設(shè)計(jì)變量的確定

綜合考慮副車架的結(jié)構(gòu)形式和布置要求，選取副車架的前后橫梁、左右縱梁、前后懸置支架、后橫梁加強(qiáng)板、縱梁加強(qiáng)板等共14個(gè)部件的厚度作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，通過各結(jié)構(gòu)件的厚度的變化來優(yōu)化副車架的剛度和模態(tài)，使材料分布更加趨于合理。設(shè)計(jì)變量的選擇及取值范圍見表3。

表3 副車架設(shè)計(jì)變量及取值范圍

3.2 目標(biāo)函數(shù)的確定

優(yōu)化的目標(biāo)是使副車架總質(zhì)量盡可能低，因此以副車架質(zhì)量最小為目標(biāo)。在滿足剛度和模態(tài)的前提下，尋找質(zhì)量最小的材料分布形式，因此選擇副車架的總質(zhì)量M(x)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

式中V(x)為體積；ρ為材料的密度。

3.3 約束條件

以剛度性能要求的倒數(shù)（即硬點(diǎn)的位移）和二階模態(tài)的目標(biāo)值作為約束條件，如表4所示。

3.4 優(yōu)化分析

根據(jù)上面定義，在 Optistruct 中進(jìn)行定義相關(guān)的設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)目標(biāo)后，利用軟件進(jìn)行求解，經(jīng)過優(yōu)化軟件綜合權(quán)衡各個(gè)工況的迭代運(yùn)算得到每個(gè)設(shè)計(jì)變量的最終優(yōu)化結(jié)果。圖4為目標(biāo)函數(shù)的迭代收斂圖，最終的優(yōu)化重量為22.40Kg。表5為優(yōu)化后的各個(gè)部件板厚值及相對(duì)于初始值的優(yōu)化比例。圖5為優(yōu)化分析后最終的零件板厚分布云圖。

表4 副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

表5 副車架優(yōu)化后的各部件厚度計(jì)優(yōu)化比例

3.5 優(yōu)化后的副車架有限元分析

將優(yōu)化后的最終各個(gè)部件的板厚在原始的有限元模型中進(jìn)行重新設(shè)置，驗(yàn)算其剛度及模態(tài)是夠滿足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果見表6，表中包括優(yōu)化前后的剛度和模態(tài)的計(jì)算值。

4、結(jié)語

從上述分析計(jì)算結(jié)果中可以看出，盡管優(yōu)化后的副車架質(zhì)量未能達(dá)到其設(shè)計(jì)的目標(biāo)值22.0Kg，但其方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于同類汽車副車架或其他零部件的早期設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的副車架結(jié)構(gòu)總體材料分布更合理，二階模態(tài)值較優(yōu)化前能更好地滿足性能要求。

論文在基于減重的優(yōu)化方面進(jìn)行了初步的探索，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論，基于有限元的副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在樣車開發(fā)階段，有利于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的精確設(shè)計(jì)，滿足剛度和模態(tài)要求，為今后的設(shè)計(jì)工作和優(yōu)化技術(shù)提供了參考。

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后排可以先將頭枕借助H點(diǎn)測(cè)量裝置（HPM）及頭枕測(cè)量裝置（HRMD），布置在黃色及綠色區(qū)域內(nèi)后再計(jì)算相關(guān)參數(shù)，以已知車型為例，計(jì)算后排邊界頭枕位置布置在HRMD定義的黃色邊界，如圖5。

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Optimization based on a sub-frame size of Optistruct

Yin Mei, Wang Chenglong
（Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200122）

In this paper according to a new passenger car subframe development requirements, at the initial design stage according to the stiffness and modal analysis results of the subframe, put forward the optimization design proposal to meet the requirements of stiffness and modal performance. Comparing the results of before and after optimization, the stiffness and modal result meet the design requirements, total mass of the optimized subframe is reduced by 1.26Kg, meet the objective of light weight of the subframe. Shows that the optimization proposal is correct, practical, guiding the development of new car subframe, also provides certain reference for the development of similar vehicle subframe.

Subframe；FEM；Size Optimization

U463.8

A

1671-7988(2015)04-51-04

殷梅，就職于上海匯眾汽車制造有限公司。