某车型副车架模态拓扑优化设计.pdf

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1、结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日某车型副车架模态拓扑优化设计沈智达陈海树刘双宇（华晨汽车工程研究院辽宁沈阳）摘要：本文以某车型副车架为例，介绍了基于拓扑优化方法，应用有限元软件HyperWorks的OptiStruct模块建立有限元模型的过程。通过优化计算，使一阶扭转模态值达到最佳水平，并对优化结果进行了台架试验对比验证，优化结果可为同类产品设计提供参考。关键词：拓扑优化模态频率副车架有限元分析引言：汽车底盘的主要性能是舒适性和操控性，悬挂系统的设计和匹配上设计师们都尽可能的用一些复杂结构来实现舒适性和操控性的

2、平衡，而一些对舒适性和操控性影响较大的装备和设计也应运而生，副车架就是一个典型的代表。副车架实际是一个支撑车桥和悬架的支架，汽车的行走系统（也就是车桥，包括车轮、轮轴、差速器等部件）通过悬架元件先安装在这个支架上，再作为一个整体总成，用起减振抗扭作用的弹性橡胶垫连接到车身上。副车架的作用，相当于在悬架和车身之间增加了一级缓冲，它减轻了车身的负荷，可以明显改善整车的舒适和操控性。另外，由于副车架结构的出现，前桥和后桥从原来的零散部件变成了整体总成，这对汽车的平台化设计以及生产装配的便利性，都有很大的好处。副车架的成本一直很高，所以它以前更多出现在豪华车身上。现在，随着技术的进步以及成

3、本的降低，它已经逐步向低端车型扩展，甚至有的紧凑级别车型也开始采用这种设计。优化方法概述：汽车零部件结构优化设计是指在不影响零部件的强度和性能的基础上，通过设计质量轻的产品达到降低汽车制造成本的目的。结构优化通常分为尺寸优化，形状优化，拓扑优化和结构类型优化等。其中尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟，但对结构优化所起的作用有限。结构拓扑优化又称为结构布局优化，它是一种根据约束，载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法，主要应用在产品开发的初始阶段，是一种概念性设计，对最终产品的成本和性能有着决定性影响。变密度法是连续体结构拓扑优化的常用方法之一，其基本思想是引入一种假设的密度

4、可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，使结构中的每个有限单元内的密度制定相同，并以每个单元密度为设计变量。当每个单元的相对密度X＝1时，则表示该单元为有材料，保留或增加该单元（实体）；当X=0时，表示该单元无材料，单元应当删除（孔洞）。拓扑优化时，尽量使该材料的相对密度为0或1分布在设计区域。1.问题描述副车架与车身的连接点就如同发动机悬置一样。本车型的副车架由四个悬置点与下车身连接，这样既能保证其连接刚度，又能有很好的震动隔绝效果。需要指出的是：带有副车架的悬挂能分5级来吸收震动的传入。第一级震动由轮胎台面的软橡胶变形来吸收，这一级变形能吸收大量的高频结构及多学科优化工程应用

5、与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日震动，第二级为轮胎的整体变形吸收震动，这一级主要吸收比第一级稍高的路面震动，比如石子之类引起的震动。第三级为悬挂摇臂各个连接点内的橡胶衬套进行震动的隔绝，这一环节主要是减小悬挂系统的总成冲击。第四级为悬挂系统的上下运动，这一运动主要吸收长波震动，也就是过沟过槛时引起的震动。第5级为副车架悬置对震动的吸收，这里主要吸收的是前4级没有完全屏蔽的震动。本车型的副车架的一阶扭转振动频率（148～151Hz）比较低，没有避开系统的共振频率区域，以致悬置吸收震动效果不理想。为使其一阶扭转振动频率达到benchmar

6、k水平（178~185Hz），需要对其结构进行拓扑优化。在适当区域布置加强筋的结构，以满足设计要求。2.拓扑优化数学模型：该模型为副车架的有限元的模型（如图1），模型使用HyperWork通用有限元前处理软件Hypermesh搭建：导入CATIA三维数模，对其进行必要的几何清理，去掉一些细小特征（倒角、小孔等），然后进行网格划分，所有单元均采用壳单元（四边形、三角形）。副车架上下两个表面用一维焊点单元cweld连接，用rbe2单元模拟螺栓处的连接。模型共有35088个单元，35689个节点。输入材料的相关参数:杨氏模量：210GP泊松比:0.30密度:7.8e+3kg/m3长度单位

7、：mm图1将副车架的上下2个表面定义为可设计区域，优化目标（目标函数）是提高第一阶扭转频率，可设计体积的35％作为等效约束。以设计区域中每个单元的伪密度为设计变量进行拓扑优化计算。优化结构的材料密度云图如图2所示。结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日图2根据拓扑优化后的密度分布，可以大体确定加强筋的位置，利用拓扑形貌优化工具定义起筋的方向、高度、拔模角等参数。考虑到结构和工艺的需求进一步形状优化后，最