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汽車扭轉梁常用結構優(yōu)化方法

2019-12-09 22:58:12·  來源：上汽安全與CAE技術  作者：許諾  
　
扭轉梁是一種汽車非獨立懸架，普遍應用在A0、A、A+級轎車及A0級SUV上，具有結構簡單，易于裝配，成本相對較低的優(yōu)點。扭轉梁能夠通過自身橫梁扭轉有效降低整車側
扭轉梁是一種汽車非獨立懸架，普遍應用在A0、A、A+級轎車及A0級SUV上，具有結構簡單，易于裝配，成本相對較低的優(yōu)點。扭轉梁能夠通過自身橫梁扭轉有效降低整車側傾，不同軸荷車型因整車操作穩(wěn)定性，對扭梁具備不同的剛度要求。扭轉剛度過高，舒適性較差；扭轉剛度較低，車身側傾嚴重。
扭轉梁按照橫梁結構可分為開口梁和閉口梁兩種。開口梁為橫梁單片結構，工藝為冷沖壓工藝；閉口梁為橫梁封閉結構，成形較為復雜，一般選擇液壓成形工藝。扭轉梁選擇開口梁多用于低軸荷車型上，扭梁在橫梁厚度較小時即可提供足夠的扭轉剛度滿足側傾剛度的要求。扭轉梁選擇閉口梁多用于高軸荷車型，扭梁需要封閉橫梁提供較大的扭轉剛度，以滿足側傾剛度的要求。扭轉梁常用的結構優(yōu)化方法主要有拓撲優(yōu)化、參數化優(yōu)化及形貌優(yōu)化三種。
 
1 拓撲優(yōu)化
 拓撲優(yōu)化是一種在早期確定扭轉梁最優(yōu)傳力路徑的方法?？梢砸詣偠群蛻ψ鳛檫吔鐥l件，以質量為目標，在現(xiàn)有的布置空間中進行材料密度分布最優(yōu)化。早期在有初步硬點的情況下，可以以此作為先期開發(fā)指導。如圖1為一種拓撲優(yōu)化后的密度分布，可以初步確定橫梁和縱臂的相對位置，同時高度方向密度分布給橫梁走向提供方向，可以作為CAD概念設計方向參考。
圖1 拓撲優(yōu)化結果及解讀數模
 2 參數化優(yōu)化
 參數化優(yōu)化是指通過對扭轉梁關鍵參數進行定參設計，同時集成SFE、Nastran、Abaqus等模塊，基于ISIGHT做多目標優(yōu)化方法，筆者通過3年的技術積累，在參數化方面獲得了一定技術經驗。如圖2所示開口梁參數化模型，可實現(xiàn)形狀一定范圍內快速變化。
圖2 參數化模型
如圖3所示，開口梁參數化變量主要包括外闊尺寸、形狀變量、尺寸變量。這些變量共同決定了橫梁應力的趨勢及剛度大小。尺寸變量包括橫梁和縱臂厚度，橫梁厚度直接影響扭梁剛度及耐久性能；而縱臂厚度直接影響濫用性能。
圖3 截面選取定義
DOE設計方法選擇優(yōu)化拉丁方超立方法。拉丁方試驗設計將因素按水平豎排一個隨機矩陣，即拉丁方矩陣，在同一列中任何因素的水平均無重復。如圖4所示，優(yōu)化拉丁方試驗設計方法采用正交性較好的初始解，綜合考慮拉丁方矩陣的正交性和均勻性。
圖4 優(yōu)化拉丁超立方方法
分別對形狀變量及尺寸變量按照優(yōu)化超拉丁采樣試驗求得最優(yōu)解。優(yōu)化工況為剛度要、耐久、濫用變形性能要求，優(yōu)化目標為質量最小。優(yōu)化方法如下：
      
3 形貌優(yōu)化
形貌優(yōu)化是通過節(jié)點的移動來改變結構形狀，進而定義形狀設計變量，通常適合在傳力路徑和形狀分布確定后進行細致設計，可以作為拓撲優(yōu)化和參數化優(yōu)化的補充。對封閉梁橫梁優(yōu)化時，可以通過以單元的法向作為節(jié)點移動的方向，對橫梁內凹面位置進行優(yōu)化；對開口梁優(yōu)化時，可以通過形貌優(yōu)化對加強板加強筋進行優(yōu)化。
 
4 總結
扭轉梁結構優(yōu)化的三種方法拓撲優(yōu)化、參數化優(yōu)化、形貌優(yōu)化，適合于不同的階段。早期通過拓撲優(yōu)化對傳力路徑優(yōu)化作為概念設計的指導參考；CAD數據成熟后，可以通過參數化優(yōu)化對剛度、耐久進行多目標優(yōu)化；最后可以通過形貌優(yōu)化對部分局部特征、加強筋進行細致優(yōu)化。
 
 
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