后扭轉(zhuǎn)梁正向優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)研究

宛銀生，姜再友，周偉，袁世林

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

后扭轉(zhuǎn)梁正向優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)研究

宛銀生，姜再友，周偉，袁世林

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

后扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計(jì)開發(fā)采取一種正向的自主開發(fā)思路，建立一種用CAE驅(qū)動(dòng)CAD、兩者始終相貫穿的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。通過CAE建立多體動(dòng)力學(xué)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，考慮剛度和強(qiáng)度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的K&C特性，同時(shí)建立后扭轉(zhuǎn)梁流程圖開發(fā)平臺(tái)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性，降低了開發(fā)成本,培養(yǎng)了自主正向開發(fā)能力。

后扭轉(zhuǎn)梁；強(qiáng)度載荷；K&C特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.025

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-70-04

引言

后扭轉(zhuǎn)梁以可上下擺動(dòng)的拖臂實(shí)現(xiàn)車輪與車身的連接，然后以液壓減振器和螺旋彈簧作為減振部件，達(dá)到減振和支撐車身的作用。從后扭轉(zhuǎn)梁的構(gòu)造來看，由于左右縱擺臂被扭轉(zhuǎn)橫梁連接，因此懸架結(jié)構(gòu)依舊還保持著一定的整體橋非獨(dú)立懸架的特性，不過連接左右縱臂的橫梁是可扭轉(zhuǎn)的，在一定程度上可讓左右車輪在小范圍的空間內(nèi)自由跳動(dòng)而不干擾到另一側(cè)車輪。這種后扭轉(zhuǎn)梁式懸架，占用空間很小的，可以在較短的車身里獲得更大的后排空間和行李艙容積，它的結(jié)構(gòu)非常簡單，因此制造成本也相對(duì)不高，同時(shí)性能不弱，廣泛應(yīng)用在小型車和緊湊級(jí)車型上。

以往傳統(tǒng)后扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計(jì)開發(fā)先CAD再CAE，CAD與CAE分家的設(shè)計(jì)流程。該后扭轉(zhuǎn)梁正向設(shè)計(jì)優(yōu)化，在設(shè)計(jì)開發(fā)中進(jìn)一步提高底盤自主開發(fā)能力，通過CAE建立多體動(dòng)力學(xué)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的K&C特性，縮短開發(fā)周期，降低了成本，解決了后扭轉(zhuǎn)梁剛度、強(qiáng)度、可靠性、耐久性與NVH等關(guān)鍵技術(shù)問題，以滿足整車操縱穩(wěn)定性和舒適性性能需求。

1、正向優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)流程

后扭轉(zhuǎn)梁正向優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包含三方面工作：CAD設(shè)計(jì)、FEA分析與優(yōu)化、MBD分析與參數(shù)優(yōu)化，流程如下。

1.1 設(shè)計(jì)輸入階段

根據(jù)市場(chǎng)定位及商務(wù)要求，結(jié)合整車參數(shù)、成本，參考BENCHMARK，考慮底盤系統(tǒng)懸架配置的檔次及沿用性等要求，確定懸架結(jié)構(gòu)形式為扭轉(zhuǎn)梁形式。

1.2 性能目標(biāo)分解階段

BENCHMARK樣車性能分析，整車主觀評(píng)價(jià)，整車客觀測(cè)量，樣件拆解、分析側(cè)傾剛度、結(jié)構(gòu)剖析、材料、模態(tài)，競品數(shù)據(jù)庫，確定整車操穩(wěn)和舒適性性能目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分解，確定后懸K&C目標(biāo)，確定后扭轉(zhuǎn)梁剛度性能目標(biāo)，確定后扭轉(zhuǎn)梁NVH性能目標(biāo)（模態(tài)），確定后扭轉(zhuǎn)梁耐久性能目標(biāo)，確定后扭轉(zhuǎn)梁質(zhì)量目標(biāo)。

1.3 初始設(shè)計(jì)階段

后扭轉(zhuǎn)梁初始設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，載荷邊界條件（理論計(jì)算），CAE數(shù)據(jù)庫，拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，拓?fù)鋬?yōu)化解讀，初版CAD模型，建立MBD模型，進(jìn)行K&C驗(yàn)證，強(qiáng)度驗(yàn)證，剛度驗(yàn)證，可成形性分析。

1.4 工程設(shè)計(jì)階段

后扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立MBD模型，進(jìn)行K&C驗(yàn)證，強(qiáng)度驗(yàn)證，剛度驗(yàn)證，可成形性驗(yàn)證，NVH驗(yàn)證（模態(tài)），耐久性分析。

1.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)階段

制作CATIA樣件模型，與供應(yīng)商進(jìn)行工藝分析，確定試制狀態(tài)數(shù)模及圖紙，設(shè)計(jì)DVP，設(shè)計(jì)DFMEA，制作工裝樣件。

1.6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

產(chǎn)品驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量(整車KC、操穩(wěn))性能驗(yàn)證，臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)可靠性驗(yàn)證。

1.7 設(shè)計(jì)發(fā)布

驗(yàn)證合格，發(fā)布正式數(shù)模及圖紙。

2、初始設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)這一階段的工作非常重要，先性能目標(biāo)設(shè)定及分解，需對(duì)BENCHMARK作包括整車主客觀評(píng)價(jià)等的詳盡分析。具體到后扭轉(zhuǎn)梁上，包括其結(jié)構(gòu)和尺寸分析、各部件材料成份及力學(xué)性能分析、其側(cè)傾剛度、在臺(tái)架中的耐久表現(xiàn)、后扭轉(zhuǎn)梁襯套的剛度曲線等等。將分析得到的標(biāo)桿車的懸架性能參數(shù)與公司已有的數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，根據(jù)項(xiàng)目自身的定位與特點(diǎn)，制定出欲開發(fā)車型的懸架性能目標(biāo)參數(shù)，并進(jìn)一步分解到后扭轉(zhuǎn)梁上。

后扭梁式懸架對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響較大的設(shè)計(jì)變量有：扭梁的結(jié)構(gòu)、前縱臂襯套的剛度和硬點(diǎn)位置、輪心位置。扭梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要使用的是拓?fù)浜统叽鐑?yōu)化的有限元分析方法，前縱臂襯套的剛度和硬點(diǎn)位置、扭梁開口方向、輪心位置主要使用多體分析，然后結(jié)合扭梁的拓?fù)浜统叽绲膬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行懸架性能的驗(yàn)證和再優(yōu)化。

表1 扭轉(zhuǎn)梁剛度性能目標(biāo)條目表

2.1 拓?fù)溆?jì)算

拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，能在給定的空間中生成優(yōu)化的形狀及材料分布。通過將區(qū)域離散成有限單元網(wǎng)格，為每個(gè)單元計(jì)算材料特性，在給定的約束條件下，利用近似與優(yōu)化的算法更改材料的分布，以優(yōu)化用戶給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。可以幫助設(shè)計(jì)人員在不知道結(jié)構(gòu)形狀的前提下，根據(jù)已知的邊界條件和載荷條件確定較合理的結(jié)構(gòu)形式，可為設(shè)計(jì)人員提供最優(yōu)的材料分布方案。

2.1.1 載荷條件與目標(biāo)設(shè)定

表2 扭梁剛度載荷及加載方式

載荷邊界條件，一般，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段主要考慮兩類載荷，一是剛度載荷，二是強(qiáng)度載荷。而在拓?fù)鋬?yōu)化階段主要考慮剛度載荷的影響，在形狀和尺寸優(yōu)化時(shí)再同時(shí)考慮剛度和強(qiáng)度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

對(duì)于后扭轉(zhuǎn)梁式式懸架結(jié)構(gòu)來說，對(duì)應(yīng)其性能目標(biāo)，一般有如下10種剛度載荷。

上表所有載荷工況中，需同時(shí)約束襯套中心點(diǎn)的6個(gè)自由度。

強(qiáng)度載荷一般是從MBD計(jì)算中提取。扭轉(zhuǎn)梁典型的強(qiáng)度載荷主要有8種，（實(shí)際上是9種，最大左轉(zhuǎn)彎與最大右轉(zhuǎn)彎是對(duì)稱的，只取一種即可），如下表。

表3 強(qiáng)度載荷列表

上表中，每種載荷的具體數(shù)值需從MBD計(jì)算中提取，每種會(huì)輸出五個(gè)點(diǎn)的載荷，包括：輪心，彈簧支座中心，減振器支座中心，襯套中心點(diǎn)，輪胎接地點(diǎn)。在有限元計(jì)算中，為了滿足力的平衡和約束模型的剛體位移，一般只取輪心、彈簧支座中心、減振器支座中心三個(gè)點(diǎn)處的載荷，襯套中心點(diǎn)通過BUSH單元連接其安裝支座，然后約束安裝支座的全部自由度，同時(shí)，還需要約束彈簧頂端第3自由度。

目標(biāo)設(shè)定，對(duì)于剛度目標(biāo)，由于從K&C得出來的剛度目標(biāo)值無法從有限元計(jì)算結(jié)果中直接得到，因此需要把表1中的剛度目標(biāo)（見2.1）轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的平動(dòng)位移或轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這樣可以在優(yōu)化時(shí)直接把位移或轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)為約束或目標(biāo)條件。

對(duì)于強(qiáng)度目標(biāo)，所有工況下的應(yīng)力結(jié)果小于屈服應(yīng)力即可，因?yàn)樵贛BD計(jì)算強(qiáng)度載荷時(shí)，已經(jīng)包含了一定的安全系數(shù)。因此，強(qiáng)度目標(biāo)取材料的屈服強(qiáng)度極限即可。

2.1.2 拓?fù)鋬?yōu)化空間的設(shè)置

如果把后扭轉(zhuǎn)梁比喻為打磨后的玉，那優(yōu)化空間就是原石，它是在滿足布置及各種運(yùn)動(dòng)前提下的最大材料邊界。在定義優(yōu)化空間的時(shí)候需注意一點(diǎn)：與硬點(diǎn)連接的周圍需要定義為非設(shè)計(jì)空間，這樣可以確保優(yōu)化后，硬點(diǎn)連接一定存在。

對(duì)于優(yōu)化空間，可分為初始階段設(shè)計(jì)空間和優(yōu)化后期設(shè)計(jì)空間。

初始階段設(shè)計(jì)空間：只考慮后扭轉(zhuǎn)梁周圍的金屬結(jié)構(gòu)件以及它們與懸架之間的設(shè)計(jì)間隙；其它的一些典型軟系統(tǒng)（如加油管，排氣管）可根據(jù)優(yōu)化后空間結(jié)構(gòu)繞行。這樣的優(yōu)化空間可以尋找到最優(yōu)的材料布局。

優(yōu)化后期設(shè)計(jì)空間：隨著優(yōu)化的深入，將“加油管和排氣管”等軟系統(tǒng)加入到邊界制約中，以期優(yōu)化出合理的扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)。

對(duì)優(yōu)化空間建立有限元模型時(shí)，不同的部件采用不同的單元類型，具體如下：優(yōu)化空間用四面體單元，彈簧用spring單元模擬，輪心與地面的連接用RBE2單元模擬，襯套用bush單元，輪轂支座用六面體單元。其中，需定義彈簧和襯套單元的剛度參數(shù)如下表。

表4

上表中襯套屬性K1沿著襯套套筒的軸線方向，K2沿著水平方向，K3與K1，K2垂直方向。

在前面提到，拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，主要是考慮剛度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)材料布局的影響，因此，在拓?fù)鋬?yōu)化中，大部分結(jié)果主要施加剛度載荷。剛度載荷的施加方法與大小見前面內(nèi)容2.1.1.1部分。

2.2 初版CAD模型建立

經(jīng)過上述的拓?fù)溆?jì)算，將拓?fù)浣Y(jié)果輸出成stl格式，導(dǎo)入CATIA中，采用逆向手法即可建立初版的CAD模型。如下圖。

圖1

為了使新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到初始定義的性能目標(biāo)，必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否滿足目標(biāo)值，如果滿足，設(shè)計(jì)完畢，否則必須對(duì)其進(jìn)行形狀及尺寸方面的優(yōu)化，通過調(diào)整局部的形狀和尺寸來改善結(jié)構(gòu)的性能。在該階段，先驗(yàn)證K&C和強(qiáng)度性能，如果兩種性能都滿足，再驗(yàn)證其它方面，否則需要通過進(jìn)一步優(yōu)化來改進(jìn)結(jié)構(gòu)。在驗(yàn)證K&C時(shí)主要是通過MBD方法來完成，而強(qiáng)度主要是FEA方法來完成。

2.3 K&C驗(yàn)證

將后扭轉(zhuǎn)梁的初始模型通過網(wǎng)格畫分、輸出成柔性體文件，再結(jié)合MotionView建立懸架分析模型。經(jīng)過MBD計(jì)算后，將K&C分析所得各工況下的曲線與對(duì)應(yīng)的目標(biāo)曲線對(duì)比，便可知道經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化所得的扭梁初始結(jié)構(gòu)是否能滿足要求，能否作為下一階段的輸入。如果答案是否定的，便應(yīng)回過頭重新優(yōu)化驗(yàn)證。K&C驗(yàn)證工況如下表。

表5 K&C驗(yàn)證工況

2.4 有限元強(qiáng)度驗(yàn)證

有限元分析中，前處理一般用HyperMesh 。生成柔性文件后，可導(dǎo)入到各種有限元分析軟件中計(jì)算。驗(yàn)證的工況見表3，也可按制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、上跳、啟動(dòng)等典型工況校核。

需要注意的是，在計(jì)算后扭轉(zhuǎn)梁強(qiáng)度時(shí)，需要輸入后扭轉(zhuǎn)梁各部件的材料厚度，此時(shí)可詢問供應(yīng)商在實(shí)際生產(chǎn)中有哪些厚度的材料可供選擇。

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)

形狀優(yōu)化是對(duì)模型有了一定的形狀設(shè)計(jì)思路后所進(jìn)行的一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。目的是通過改變模型的某些形狀參數(shù)（幾何特性的形狀）后達(dá)到改變模型的力學(xué)性能以滿足某些具體要求（如應(yīng)力、位移、剛度等）。在形狀優(yōu)化中，優(yōu)化問題的求解通過修改結(jié)構(gòu)的幾何邊界實(shí)現(xiàn)。在有限元中形狀通過節(jié)點(diǎn)的位置確定，因此修改結(jié)構(gòu)的形狀也即修改網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置。

尺寸優(yōu)化也是在對(duì)模型形狀有了一定的形狀設(shè)計(jì)思路后所進(jìn)行的一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。它是通過改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截屬性、質(zhì)量單元的質(zhì)量等，以達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求（如應(yīng)力、質(zhì)量、位移等）。

在后扭轉(zhuǎn)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，主要針對(duì)上一步驗(yàn)證的結(jié)果，通過形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，調(diào)整局部的結(jié)構(gòu)和改變板的厚度來改變初始結(jié)構(gòu)，以期獲得更好的性能。

在進(jìn)行形狀和尺寸優(yōu)化時(shí)，必須同時(shí)考慮剛度和強(qiáng)度載荷，并根據(jù)目標(biāo)值定義成約束條件，剛度約束條件定義等同于拓?fù)鋬?yōu)化，強(qiáng)度約束條件是：等效應(yīng)力小于后扭轉(zhuǎn)梁各部件對(duì)應(yīng)的屈服極限。在滿足這些要求的基礎(chǔ)上，判斷是否可以達(dá)到更佳的質(zhì)量，即以質(zhì)量最小化作為目標(biāo)條件。

工程設(shè)計(jì)，經(jīng)過CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證合格后，進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段，此階段包括建立3D數(shù)模、與供應(yīng)商一起對(duì)制造工藝進(jìn)行分析、繪制工程圖紙、編制DFMEA、DVP等各種設(shè)計(jì)驗(yàn)證文件等。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證，工程設(shè)計(jì)完成后，可聯(lián)系供應(yīng)商制作軟模件用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證。后扭轉(zhuǎn)梁的設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括尺寸、產(chǎn)品功能的驗(yàn)證等，可通過臺(tái)架試驗(yàn)、MuleCar、樣車試裝、道路試驗(yàn)等途徑實(shí)現(xiàn)。

后扭轉(zhuǎn)梁臺(tái)架試驗(yàn)一般需要驗(yàn)證其剛度、強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)疲勞等。MuleCar及試驗(yàn)樣車除了可以驗(yàn)證后扭轉(zhuǎn)梁的尺寸、可裝配性外，更重要的是可結(jié)合主客觀評(píng)價(jià)，3萬強(qiáng)化等道路試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證其各項(xiàng)性能目標(biāo)。

4、結(jié)論

通過各種項(xiàng)目的驗(yàn)證后，便可將正式的數(shù)模、圖紙，以及各種設(shè)計(jì)文件作為相關(guān)輸出對(duì)外發(fā)布了。做到這一步，后扭轉(zhuǎn)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)工作便可劃句號(hào)了。但是別忘了，對(duì)于產(chǎn)品來說，有一項(xiàng)工作是需要貫穿其整個(gè)生命周期中的，那便是持續(xù)改進(jìn)。

[1] 后軸優(yōu)化設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化過程,Altair,2008.

[2] 基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),張勝蘭等,機(jī)械工業(yè)出版社 2007.

Research On The Development Of The Forward Optimization Design Of The Rear Torsion Beam

Wan Yinsheng, Jiang Zaiyou, Zhou Wei, Yuan Shilin
（R&D Center Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

After the design and development of the torsion beam, a positive self development method is adopted to establish an optimized design flow with CAE drive CAD, which is always running through. By CAE established multi-body dynamics analysis model for structure design and optimization, considering the effect of stiffness and strength of the load on the structure, achieve the optimal K&C characteristics, also after the establishment of the torsion beam flow chart of development platform, improve the reliability of product design, reduces the cost of development, cultivate the independent positive development ability.

after the torsion beam; strength load; K&C load

U461.6

A

1671-7988 (2016)12-70-04

宛銀生（1973-），男，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，高級(jí)工程師，研究方向是底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基金項(xiàng)目：科技重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助：高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備 (2014ZX04002041)。