某汽车控制臂基于optistruct拓扑优化设计力学大会集ms2123

范凯杰*,仵凡*,俞水*,程晓范凯杰*,仵凡*,俞水*,程晓文*,汪忠来摘要汽车的轻量化设计一直是一个研究热点问题逊悬架的控制臂为研究对象，对其进优化设计以实现其轻量化。首先，根据控制臂的几何特点构建其三维模型；其次，结合悬架减震器、减震弹簧等部件参数，利用多体运动学分析软件A对悬架进行仿真分析，从而得到各工况下控制臂的外载荷；然后，应用r的H模块对控制臂三维模型进行有限元建模；最后，在模块下定义拓扑优化的目标函数及约束条件，求解后得到结构的密度分布云图了满足轻量化要求的控制臂拓扑优化设计结引车身，同时保证车轮按一定轨迹运动[2]。由于控制臂的作用以及汽车各种复杂的使用此，控制臂结构拓扑优化的研究具有十分重要的意义。文献[3]和[4]基于ADAMS/Car悬架系统进行了仿真分析，提高了汽车稳定性。文献[5]应用Optistruct对某飞机摇臂式本文利用ADAMS/Car模块对悬架拓扑模型进行动力学仿真分析，以轮胎各工接地力为输入，控制臂外球销点载荷为输出，得到研究所需数据；然后，应用的Hypermesh模块对控制臂三维模型进行前处理；最后，在Optistruct模块下对控制臂的Hypermesh模块对控制臂三维模型进行前处理；最后，在Optistruct模块下对控制臂向（Corner）；工况3，双侧轮上凸包（Raise）计算中采用的坐标系为：+X——平行于地面指向车辆前方；+Y垂直地面指向车辆上方。以下为三种工况的轮胎接地力的计算公式[6][7]1）前进制FlxFrxK1Gβ/FlzFrzGfK1Gh/L/FlyK2Gf/2K2Ghb/LtFlzGf/2K2Ghb/LFryK2Gf/2K2Ghb/LtFrzGf/2K2Ghb/LFlxFrxK3Gf/FlzFlxFrxK3Gf/FlzFrzK3Gf/以上式,表1左、右轮三种工况下接地力（-0-0-0-0-0-0工况ADAMS/Car是MDI公司与众多汽车公司合作开发的面向汽车行业的多体动关心的输出，并且可以很容易的替换一个子系统，而无须改变模型的其他部件[8]。这2.11根据模型的几何位置，修改ADAMS/Car中的悬架控制臂硬点图1图2ADAMS/Car中车辆坐标系方向：+X——平行于地面指向车辆后方；+Y图1图2ADAMS/Car中车辆坐标系方向：+X——平行于地面指向车辆后方；+Y根据建立好的控制臂设计边界模型，可以得到修改后的ADAMS/Car中的硬点位置表2控制臂硬点坐标（单位yxz-----弹簧和阻尼器通过修改特性文件后导入，其参数为：减震弹簧刚bs4104Nm 7103Nm 车轮R300mm；轮胎刚度系数kt4105Nm；车轮质量m110kg；簧上质m21500kg；质心高度h800mm；轴L3300mm；前轮传动比50%；前轮制动率60%利用悬架仿真分析进行不同典型工况下的准静态加载仿真，通过ADAMS后利用悬架仿真分析进行不同典型工况下的准静态加载仿真，通过ADAMS后处理块得到所需的控制臂外侧球铰点载荷，见表3垂直力主要由减震弹簧承受，作用在下控制臂上的垂向力远小于纵向力和侧向力[9]。表3控制臂外侧球铰点载荷（-----0工况在应用Optistruct进行拓扑优化分析之前，需对控制臂模型进行前处理建立其有限模型。本文使用Altair公司的Hypermesh平台进行有限元建模，Hypermesh集成了设计分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户面。Hypermesh针对拓扑优化分析进行前处理的步骤1）网格划分：将建立好的控制臂设计边界模型导入到Hypermesh中，采用六面体单图4边界约图4边界约3）添加材料：控制臂材料为锻钢40Cr，创建各向同性材料即MAT1。通过参考手册得40Cr锻钢的杨氏模量E2.0e05MPa，泊松比NU0.266，根据这些数据修改材料同的属性。因此本文建立了设计区域属性（design_prop）与非设计区域属性6）创建载荷工况：本文由3种工况下的外球销点载荷来进行拓扑优化，故创建包含，后衬xz两个方向的平动自由度（1，3），外球销z方向平动自由度（3），如4所示（三角形）8）创建载荷：根据表3中的仿真结果，将载荷施加到外球销点，且每种工况下的载分8）创建载荷：根据表3中的仿真结果，将载荷施加到外球销点，且每种工况下的载分别位于其对应的载荷工况卡片，如图5中箭头所示（制动工况）9）创建子工况：由于3种工况使用同一约束，故分别用3种载荷建立与同1个约束的Optistruct模块使用均匀化法和变密度法定义材料流动规律，而变密度法也是很多图5制动工况载的默认方法。其基本思想是人为地引入一种假想的密度可变的材料，材料物理参数（许用应力，弹性模量）与材料密度间的关系也是人为假定的[10]。优化时以材料密度为Vgu0.5,u1,2,gu0.5,u1,2,式中ρii1,2,,n为设计变量即单元密度，约束条件为外球销点的合位移在三种况载荷作用下均不超过0.5mm在Optistruct中实现拓扑优化主要分为以下四个步骤1）定义拓扑优化设计变量：即选取前文定义的设计区域的属性，Optistruct则默认3）定义拓扑优化约束：三种工况下的外球销点静态位移均不超过0.5mm密度阈值为0.2的拓扑优化结果如图6所示，从图中可以看出优化后设计区域的体积比化前减少了很多，从而实现了控制臂的轻量化设计4结2）利用ADAMS/Car悬架仿真得到拓扑优化2）利用ADAMS/Car悬架仿真得到拓扑优化设计所需控制臂的载则具有了较大意义FukushimaJ,SuzukiK,KikuchiN.ShapeandtopologyoptimizationofacarbodywithmultipleloadingSAETechnicalPaper,徐贵清.汽车悬架研究现状及发展趋势[J].中国高新技术企业，2010，15：35-于海峰.基于ADAMS/Car的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究[D].大连[5]苏胜伟.基于Optistruct拓扑优化的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2008乐天聪某轿车悬架控制臂有限元分析与结构优化[D].[8]李军.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002李成基于OptiStruct的麦弗逊悬架下控制臂优化[J].计算机辅助工程，2012，05：49-MlejnekHP,SchirrmascherR.Anengineer’sapproachtooptimalmaterialdistributionandshapefinding[J].MethodsinAppliedMechanicsandEngineering,1993,106(1-2):1-TopologyOptimizationTopologyOptimizationonControlArmbasedonFanKaijie1,WuFan1,YuShui1,ChengXiaowen1,Wang(1InstituteofReliabilityEngineering,UESTC,No.2006,XiyuanAve,WestHi-TechZone611731,Chengdu,Sichuan,Abstract:Automotivelightweightdesignisalwaysahottopicissue.Inthispaper,atopologyoptimizationoftheMcPhersonsuspensioncontrolarmiscarriedonforthepurposeofautomotivelightweightdesign.First,thethree-dimensionalmodelofthecontrolarmisbuiltaccordingtoitsgeometriccharacteristics.Secondly,toobtaintheexternalloadofthecontrolarminvariousconditions,thispaperusestheADAMS/Cartoperformthesuspensionanalysiscombinedwiththeparametersoftheshockabsorberandthespring.Third,thefiniteelementmodelissetupapplytheHypermeshmoduleofHyperwoks