基于多目標的某鋁合金減振器塔優化設計

闞洪貴，趙震，魯后國

基于多目標的某鋁合金減振器塔優化設計

闞洪貴，趙震，魯后國

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230000）

多學科設計優化重點在于要充分兼顧不同學科之間的相互耦合作用，通過有效協調不同學科之間的耦合因素的差異來達到整個系統問題的最優化設計。文章基于某車型鋁合金減振器塔，通過多學科優化設計的思路，重點論述了鋁合金減振器塔多目標（強度、剛度、模態）優化過程，并最終達成了多目標要求。

多學科設計優化；多目標；鋁合金減振器塔；強度；剛度；模態

引言

多目標多學科優化設計不是一個具體的數學算法，它是一種解決問題的方法論，能夠解決多學科綜合問題的一種有效方法。多學科設計優化重點在于要充分兼顧到不同學科之間的相互耦合作用，通過有效協調不同學科之間的耦合因素的差異來達到整個系統問題的最優化設計[1]。

1 鋁合金減振器塔多學科性能優化

本文鋁合金減振器塔多學科優化的約束為各個子模型的性能指標，目標為能夠反映所有變量的子模型的質量，各子系統保留獨立的設計目標和設計變量，不涉及系統變量，采用并行子空間的多學科優化算法[2]。鋁合金減振器塔的詳細結構設計階段，需要確定合理準確的結構厚度，在性能滿足設計要求的前提下，實現重量最小。基于鋁合金減振器塔的初始設計參數，重點考慮其單件性能設計滿足白車身整體剛度、模態性能以及單件的強度性能，以鋁合金減振器塔的重量為目標，以不同區域厚度為設計變量，完成了鋁合金減振器塔各個性能、重量的多學科優化設計。

1.1 鋁合金減振器塔初始模型

初始模型如圖1所示，參考以往車型鋁合金減振器塔設計，將鋁合金減振器塔初始模型大體分成主體結構和局部加強結構，初步確定了鋁合金減振器塔各個部分的初始厚度。主體結構主要包括三個部分：主體框架結構如圖2(a)所示，初始厚度1為3.5 mm；局部加強結構如圖2(b)所示，三個區域初始厚度2、3、4均為6 mm。初始狀態下模型質量為3.737 kg。

圖1 鋁合金減振器塔初始模型

圖2 鋁合金減振器塔各部分結構

由實驗測試得到減振塔結構存在五種極限工況（如下表1所示），對原結構靜力學分析得到每個工況下加載點的位移和結構整體一階模態頻率，作為拓撲優化過程中剛度約束指標。

表1 典型工況載荷表

工況加載點加載方式 Fx/NFy/NFz/NMx/（N/mm）My/（N/mm）Mz/（N/mm） 工況1front?65.0483.0?300.0?12 546.0533.01501.0 middle?504.01 507.06 987.0?987.0?448.021.0 behind?132.02 753.0?1 678.0?12 550.0488.01 425.0 工況2front?162.043.0?4.0?9 891.0?747.0?821.0 middle?503.01 716.08 649.0?1 567.01 111.0?316.0 behind?115.0?1 662.0982.0?9 884.0?657.0?669.0 工況3front5.0127.0?2.06 660.0-23.0596.0 middle?259.0629.03 544.01 504.0-730.0240.0 behind5.0901.020.06 660.0?23.0599.0 工況4front?1 284.02 294.0?793.0?6 348.0?1 518.0?3 575.0 middle?787.01 488.07 256.0?1 366.0?4 139.0707.0 behind?1 229.0?582.0333.0?6 253.0?741.0?1 581.0 工況5front?636.01 285.0?278.0?2 690.0?313.0?1054.0 middle?333.01 277.06 570.0?304.01 489.0?307.0 behind?623.0350.0?31.0?2 675.0?230.0?736.0 左前加載點坐標（left front）：（?153.925，?504.600,490.301） 左中加載點坐標（left middle）：（?47.100，?525.300,579.900） 左后加載點坐標（left behind）：（65.825，?504.500,479.799）

1.2 鋁合金減振器塔塔強度性能分析

鋁合金減振器塔是重要的前懸安裝點，首先對該模型的強度性能進行了有限元分析確認。基于整車工況，單件強度分析包括垂直2.5，右轉彎1，左轉彎1，制動1和靜止起步共五個工況。鋁合金減振器塔材料屈服強度為220 MPa，強度性能要求安全系數大于1。鋁合金減振器塔強度分析模型如圖3所示。

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進行了強度性能分析，分析得到左轉彎1工況應力最大為155 MPa，如圖4所示，安全系數為1.42，滿足強度性能。基于強度性能，鋁合金減振器塔初始厚度設計針對其輕量化設計存在可優化空間。

圖3 鋁合金減振器塔模態強度性能分析模型

圖4 鋁合金減振器塔左轉彎1g工況

1.3 集成鋁合金減振器塔的白車身剛度分析

針對鋁合金壓鑄減振器的剛度要求必須優于鋼制件的剛度，其剛度性能是通過對白車身整體剛度的貢獻進行評估的，具體要求采用鋁合金減振器塔的白車身整體剛度性能不能低于鋼制減振器的白車身整體剛度，原始白車身彎曲剛度和扭轉剛度分別為18 000 N/mm和25 000 Nm/deg。白車身彎曲剛度模型和扭轉剛度模型，如圖5所示。

圖5 集成鋁合金減振器塔的白車身剛度分析模型

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進行了剛度性能分析，分析得到白車身彎曲剛度和扭轉剛度分別為18 510 N/mm和26 400 Nm/deg。減振器初始方案，單件剛度增加，同時作為加載點和約束點，局部變形減小，整體剛度提升。基于白車身整體剛度性能，鋁合金減振器塔初始厚度設計存在優化空間。

1.4 集成鋁合金減振器塔的白車身模態性能分析

針對鋁合金壓鑄減振器的剛度要求，同時還要確保其剛度性能不能影響白車身的模態性能，具體要求采用鋁合金減振器塔的白車身模態性能不能低于鋼制減振器的白車身模態，原始白車身的基頻、一階扭轉、一階彎曲模態分別為31.2 Hz、36.3 Hz、46.1 Hz。白車身模態分析模型，如圖6所示。

圖6 白車身模態分析模型

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進行了剛度性能分析，分析得到原始白車身的基頻、一階扭轉、一階彎曲模態分別為31.4 Hz、36.4 Hz、46.5 Hz。白車身模態性能變化較小。

1.5 鋁合金減振器塔的多學科優化設計

針對鋁合金減振器塔的強度性能、白車身彎曲剛度性能、白車身扭轉剛度模型、白車身模態模型，構建了多學科四個子系統模型，多學科優化采用altair的多學科優化MDO模塊完成，該模塊可以可視化定義模型和自動關聯變量，完成多學科優化分析的流程化。多學科優化集成四個性能模型如圖7所示。

圖7 白車身模態分析模型

四個分析模型中均包括了鋁合金減振器塔的四個厚度變量1，2，3，4，不同模型間相同變量進行了相等關聯，即后三個模型中的變量均等于第一個模型的變量，整個優化過程中只有4個獨立變量，變量關聯定義如圖8所示。

圖8 變量關聯定義

鋁合金減振器塔塔設計變量的初始值和范圍如表2所示。

表2 鋁合金減振器塔塔設計變量初始值和范圍

設計變量初始值下限上限 t1/mm3.535 t2/mm637 t3/mm637 t4/mm637

表3 鋁合金減振器塔性能優化前后對比

性能要求分析工況初始設計優化解性能要求 重量模型重量/kg3.7373.153 強度安全系數（1）1.421.1＞1 彎曲剛度剛度/(N/mm)18 51018 410＞18 000 扭轉剛度剛度/(Nm/deg)26 40026 200＞25 000 白車身模態基頻/Hz31.431.4＞30 一階扭轉/Hz36.436.3＞35 一階彎曲/Hz46.546.4＞45

針對優化過程本文都采用基于響應面的全局優化方法，系統級優化中總共經過50次迭代得到最優解，變量1，2，3，4分別為3.5 mm，4 mm，4 mm和6 mm。經過協同優化后，鋁合金減振器塔的系統和子系統級性能指標如表3所示，減振器各個性能要求滿足目標，鋁合金減振器塔重量由3.737 kg降低到了3.153 kg，減重比重為15.6 %，較好地實現了結構輕量化設計。由此可見，該方法的應用很好地實現了鋁合金減振器塔多性能的集成設計，同時有效實現了后期鋁合金減振器塔塔結構的輕量化設計。

2 結論

本文基于某車型鋁合金減振器塔，通過多學科優化設計的思路，重點論述了鋁合金減振器塔多目標（強度、剛度、模態）優化過程，優化過程中性能設計和重量之間往往存在沖突，多學科優化設計的出現為實現滿足各個性能前提下的重量最小化設計提供了有效的解決方法。基于鋁合金減振器的初始設計參數，重點考慮其單件性能設計滿足白車身整體剛度、模態性能以及單件的強度性能，以鋁合金減振器的重量為目標，以不同區域厚度為設計變量，完成了鋁合金減振器各個性能、重量的多學科優化設計，有效實現了后期鋁合金減振器的輕量化設計。

[1] 秦東晨,王麗霞,張珂,等.汽車車身的多學科優化設計(MDO)研究[J].現代機械,2004(05):4-6.

[2] 屈翔,游四海,賈秋紅.多學科優化設計及其在汽車設計中的應用[J].重慶工學院學報,2006(20):26-27.

Optimization Design of an Aluminum Slloy Shock Absorber Tower Based on Multi-Objective

KAN Honggui, ZHAO Zhen, LU Houguo

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230000 )

Multidisciplinary design optimization focuses on giving full consideration to the mutual coupling between different disciplines, and achieving the optimal design of the whole system problem by effectively coordinating the differences of coupling factors between different disciplines. Based on a certain type of aluminum alloy shock absorber tower, this paper focuses on the multi-objective optimization process (strength, stiffness, mode) of aluminum alloy shock absorber tower through multidisciplinary optimization design ideas, and finally achieves the multi-objective requirements.

Multidisciplinary design optimization;Multiple target;Aluminum alloy shock absorber tower;Strength; Stiffness; Mode

A

1671-7988(2021)22-56-04

U463.213

A

1671-7988(2021)22-56-04

CLC NO.: U463.213

闞洪貴（1983—），男，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，主要從事車體設計和研發工作。

復雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應用關鍵共性技術研究項目（2016 YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.014