車身懸置支座拓?fù)鋬?yōu)化研究

陳軍，朱訓(xùn)德，李樂(lè)艷

(1.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長(zhǎng)沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

車身懸置支座拓?fù)鋬?yōu)化研究

陳軍1，朱訓(xùn)德1，李樂(lè)艷2

(1.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長(zhǎng)沙 410129；2. 北京汽車株洲分公司,湖南株洲 412007)

應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)某型工程車的車身懸置支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一款造型美觀、材料最省、成本低、強(qiáng)度和剛度性能優(yōu)的車身懸置支座。表明拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)意義重大，可以實(shí)現(xiàn)以最少的材料、最低的成本達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能的目的。

車身懸置；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的發(fā)展，汽車零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化也日益進(jìn)步。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)引入到汽車零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)中將大大提高汽車零部件的材料利用率，實(shí)現(xiàn)使用最少的材料達(dá)到最優(yōu)性能的目的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)又可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。目前，尺寸優(yōu)化的理論和應(yīng)用已趨于成熟，形狀優(yōu)化的理論已經(jīng)基本建立，正在著重解決實(shí)際應(yīng)用方面的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化由于其理論和計(jì)算的復(fù)雜性而成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中最富挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域[1]。拓?fù)鋬?yōu)化就是通過(guò)設(shè)計(jì)材料在結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)某種性能的最優(yōu)。一方面拓?fù)鋬?yōu)化大大減少了建模方面的工作量，另一方面它可以在改善或保持結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上大大減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展、日益突出的能源問(wèn)題和為了滿足對(duì)汽車設(shè)計(jì)的新要求，對(duì)汽車零部件和機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義[2]。文中以某型工程車的車身懸置支座為研究對(duì)象，引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)對(duì)它進(jìn)行全新的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。全新設(shè)計(jì)一款造型美觀、材料最省、成本低的車身懸置支座，達(dá)到通過(guò)引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)這一方法實(shí)現(xiàn)使用最少的材料實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能的目的。此方法可以拓展和推廣至汽車其他零部件的設(shè)計(jì)中去，對(duì)于汽車零部件的輕量化和降成本設(shè)計(jì)意義重大。

1 拓?fù)鋬?yōu)化分析模型的建立

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化空間的建立

某型工程車原始車身懸置支座為一板焊件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)此支座的結(jié)構(gòu)和空間布置特點(diǎn)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化空間的建立?？紤]新開(kāi)發(fā)支座將進(jìn)行鑄造，因此取消其上的L形板結(jié)構(gòu)。建立的拓?fù)鋬?yōu)化空間如圖2所示。

圖1 原始車身懸置支座圖 圖2 車身懸置支座拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型圖

1.2 優(yōu)化分析邊界條件和材料屬性

此工程車車身的質(zhì)量約為1 t，車身后支座承受的垂向力約為2 500 N,制動(dòng)時(shí)承受的切向制動(dòng)力約為1 000 N。車身后支座將采用ZG270-500材料，其材料特性如表1所示。

表1 ZG270-500材料特性

1.3 優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

將采用Optistruct軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的虛擬仿真計(jì)算，通過(guò)定義設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件等來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的材料布局，從而達(dá)到車身后支座應(yīng)力降低、剛度提升、輕量化設(shè)計(jì)的目的。

設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)為支架剛度最大化，設(shè)置的約束條件為優(yōu)化后所保留的體積與原來(lái)值的比不低于0.3，設(shè)置的優(yōu)化區(qū)域?yàn)槌酥ё惭b固定孔面和車身固定孔面以外的所有區(qū)域。

將其離散化后，并且施加約束和載荷邊界后建立的有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析模型如圖2所示，下端約束處為支座安裝固定在車架上的安裝孔，上端載荷加載處為車身固定安裝處。

2 拓?fù)鋬?yōu)化分析計(jì)算

建立分析模型后，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，大約經(jīng)歷40步迭代計(jì)算后得出最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果，其目標(biāo)函數(shù)迭代流程曲線如圖3所示。得出的拓?fù)淇臻g計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 目標(biāo)函數(shù)迭代歷程

圖4 優(yōu)化后材料密度分布云圖(多視角示意圖)

可見(jiàn)其大體呈一y形支撐結(jié)構(gòu)，并且支座中間材料基本被去除，只留下側(cè)面材料。

3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)支座的安裝支撐功能等其他使用要求，對(duì)它進(jìn)行了全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出的車身懸置支座鑄件模型如圖5所示。

圖5 車身懸置支座拓?fù)鋬?yōu)化模型圖

4 性能評(píng)估

為了評(píng)估新設(shè)計(jì)車身支座的性能，從強(qiáng)度、剛度和質(zhì)量成本等對(duì)它進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果如表2所示,可看出：經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出的支座不但結(jié)構(gòu)美觀，而且強(qiáng)度方面最高應(yīng)力比原來(lái)要低97 MPa，剛度方面變形要比原來(lái)低0.09 mm，質(zhì)量要比原來(lái)輕3 kg，降重達(dá)1倍以上，支座成本降低11元。優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度性能如圖6所示。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)性能對(duì)比評(píng)估表

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度性能云紋圖

5 結(jié)論

使用先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)手段和計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)手段，以某型工程車車身懸置支座為研究對(duì)象，成功設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)美觀、質(zhì)量輕、強(qiáng)度剛度性能優(yōu)、成本低的車身懸置支座。表明此種設(shè)計(jì)方法對(duì)于汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)意義重大，可以實(shí)現(xiàn)以最少的材料、最低的成本達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能的目的。

【1】馮楨，于濤，曾齊福．拓?fù)鋬?yōu)化方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(3)：138-139． FENG Z,YU T,ZENG Q F.Application and Attempt of Topology Optimization in Design[J].Machinery Design & Manufacture,2007(3)：138-139．

【2】劉慶，侯獻(xiàn)軍．基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]．裝備制造技術(shù)，2008(10)：42-44． LIU Q,HOU X J.Structure Topology Optimization Design of Vehicle Parts Based on HyperMesh/OptiStruct[J].Equipment Manufacturing Technology,2008(10)：42-44．

Research on Topology Optimization Design of Vehicle Body Mount

CHEN Jun1, ZHU Xunde1,LI Leyan2

(1.Foton AUV Environmental Equipment Division,Changsha Hunan 410129,China； 2.Beijing Automobile Zhuzhou Branch,Zhuzhou Hunan 412007,China)

The topology optimization design method was used to optimize the design of the body mount support of a certain engineering vehicle. A mount support with attractive appearance,material saving, low cost, excellent strength and stiffness was gotten.It is shown that the topology optimization design is of great significance for the lightweight design of automotive parts,the goal that achieving the best structural performance with minimal material and lowest cost is realized.

Body mount;Topological optimization;Lightweight

2017-02-13

陳軍(1983—),男，學(xué)士，研究方向?yàn)檎嚳偛贾迷O(shè)計(jì)、車架及相關(guān)零部件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品管理、市場(chǎng)研究管理。E-mail:chenjun4@foton.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.009

U463.83+1

A

1674-1986(2017)06-033-03