一種汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車的數(shù)字化設(shè)計領(lǐng)域,尤其涉及一種汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車懸架系統(tǒng)決定和影響車輛行駛的平順性,操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性。懸架系 統(tǒng)設(shè)計,尤其是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件開發(fā)決定了懸架的整體性能、裝配便利性及設(shè)計通用性,是衡量 底盤開發(fā)設(shè)計水平的重要依據(jù),也是國內(nèi)汽車研發(fā)制造廠商關(guān)注的重點領(lǐng)域。
[0003] 汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件開發(fā)需要滿足空間、強度剛度、工藝及疲勞耐久性要求。目前 該開發(fā)工作主要依賴于"經(jīng)驗+反復(fù)試驗"的方式,容易導(dǎo)致空間運動干涉、材料厚度盈余 等缺陷,無法達(dá)到高效設(shè)計與控制成本的要求。鑒于此,國內(nèi)汽車研發(fā)制造廠商都開始探索 并逐步升級,建立動力學(xué)分析與有限元優(yōu)化相結(jié)合的計算機輔助設(shè)計研發(fā)體系。通過將虛 擬設(shè)計與實物驗證相結(jié)合,以縮短懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的開發(fā)周期和降低研發(fā)成本。雖取得了 一定的進(jìn)展和成果,但鮮有嚴(yán)謹(jǐn)完整且切實可行的研發(fā)體系和成熟的開發(fā)流程,
[0004] 現(xiàn)有的一些汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法中,往往存在如下的缺點:
[0005] 均未給出拓?fù)鋬?yōu)化初始設(shè)計域的確定方法,或者直接給出了開發(fā)結(jié)構(gòu)件的初始幾 何設(shè)計空間,或者直接表述為根據(jù)硬點布置和懸架空間要求設(shè)計得到,缺少明確的初始設(shè) 計域設(shè)計依據(jù)和確定方法。
[0006] 此外,現(xiàn)有的技術(shù)方案在開發(fā)思路和設(shè)計流程上,均沒能形成標(biāo)準(zhǔn)化以及體系化 的開發(fā)流程與技術(shù)方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于,提供一種汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計方法, 可以形成標(biāo)準(zhǔn)化以及體系化,并有效地縮短懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的開發(fā)周期和開發(fā)成本。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明實施例的一方面提供一種汽車懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件優(yōu) 化設(shè)計方法,包括如下步驟:
[0009] 根據(jù)預(yù)先確定的懸架系統(tǒng)開發(fā)方案,建立懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型,并結(jié)合行車工況 中不同工況的軸荷配比與零部件疲勞強度要求,獲得典型工況下懸架結(jié)構(gòu)件連接點的等效 載荷,所述典型工況至少包括轉(zhuǎn)向工況,起步工況,制動工況,倒車制動;
[0010] 根據(jù)預(yù)先確定的懸架系統(tǒng)開發(fā)方案,建立懸架系統(tǒng)機構(gòu)運動學(xué)模型,并根據(jù)所述 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中的開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束確定開發(fā)結(jié)構(gòu)件的初始設(shè)計域;
[0011] 根據(jù)所述初始設(shè)計域以及所述典型工況下懸架結(jié)構(gòu)件連接點的等效載荷建立開 發(fā)結(jié)構(gòu)件初始設(shè)計域的有限元分析模型,包括進(jìn)行有限元前處理和載荷邊界確定;
[0012] 在所述有限元分析模型的基礎(chǔ)上,采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)獲得開發(fā)結(jié)構(gòu)件的材料分布 并確定開發(fā)結(jié)構(gòu)件的基本拓?fù)錁?gòu)型;
[0013] 根據(jù)所獲得的開發(fā)結(jié)構(gòu)件基本拓?fù)錁?gòu)型,結(jié)合選定的成型工藝要求獲得開發(fā)結(jié)構(gòu) 件的概念設(shè)計模型;
[0014] 應(yīng)用尺寸優(yōu)化技術(shù),獲得所述開發(fā)結(jié)構(gòu)件的概念設(shè)計模型的各參數(shù)最優(yōu)方案以及 優(yōu)化設(shè)計模型。
[0015] 其中,進(jìn)一步包括預(yù)先確定懸架系統(tǒng)開發(fā)方案的步驟,包括:
[0016] 根據(jù)整車開發(fā)目標(biāo),確定懸架系統(tǒng)開發(fā)方案并設(shè)定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件性能指標(biāo)目標(biāo),其 中,所述懸架系統(tǒng)開發(fā)方案至少包括懸架形式,分析工況,零部件方案和動態(tài)運動間隙;所 述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件至少包括轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂和方向桿;所述性能目標(biāo)至少包括結(jié)構(gòu)件剛度強度、 模態(tài)和疲勞耐久性能。
[0017] 其中,所述根據(jù)預(yù)先確定的懸架系統(tǒng)開發(fā)方案,建立懸架系統(tǒng)機構(gòu)運動學(xué)模型,并 根據(jù)所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中的開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束確定開發(fā)結(jié)構(gòu)件的初始設(shè)計域的步 驟包括:
[0018] 根據(jù)所述懸架系統(tǒng)開發(fā)方案搭建懸架機構(gòu)運動學(xué)模型,包括確定模型固定件與運 動件數(shù)量,依據(jù)零部件的連接關(guān)系確定相應(yīng)的運動副約束和驅(qū)動方式,并校核所建立模型 能否滿足運動學(xué)自由度校核公式;
[0019] 其中自由度校核公式如公式1所示。
[0020]
[0021] 式中:N為系統(tǒng)運動部件數(shù),t為各運動副約束自由度數(shù),F(xiàn)d為系統(tǒng)驅(qū)動自由度 數(shù);
[0022] 根據(jù)所建立的機構(gòu)運動學(xué)模型開展懸架的運動校核,以開發(fā)結(jié)構(gòu)件為運動參照, 輸出其他零部件的相對運動包絡(luò),構(gòu)成開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束;
[0023] 并根據(jù)所述開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束確定有限元優(yōu)化的初始設(shè)計域。
[0024] 其中,所述根據(jù)所建立的機構(gòu)運動學(xué)模型開展懸架的運動校核,以開發(fā)結(jié)構(gòu)件為 運動參照,輸出其他零部件的相對運動包絡(luò),構(gòu)成開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束的步驟包 括:
[0025] 在在 CATIA(Computer Aided Three-Dimensional Interface Application,計算 機輔助3D界面應(yīng)用)軟件的DMU模塊(Digital Mock-Up,電子樣機)中,在完成懸架系統(tǒng) DMU模型定義并驅(qū)動仿真的基礎(chǔ)上,通過運動包絡(luò)輸出的功能,以開發(fā)結(jié)構(gòu)件為運動參考輸 出相關(guān)零部件的運動包絡(luò),獲得其他零部件的相對運動包絡(luò);
[0026] 以開發(fā)結(jié)構(gòu)件為固定零件,將所有懸架零部件的相對運動包絡(luò)依次裝配形成新的 裝配模型,從而獲得開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束。
[0027] 其中,所述并根據(jù)所述開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束確定有限元優(yōu)化的初始設(shè)計域 的步驟包括:
[0028] 將所述開發(fā)結(jié)構(gòu)件的空間包絡(luò)約束與所述懸架系統(tǒng)開發(fā)方案中要求的懸架動態(tài) 運動間隙進(jìn)行的疊加,即獲得了滿足懸架運動間隙要求下開發(fā)結(jié)構(gòu)件的最大設(shè)計空間,而 兩者的最小空間距離即等效為運動過程中的最小間隙,從而確定了有限元優(yōu)化初始設(shè)計 域。
[0029] 其中,根據(jù)所述初始設(shè)計域以及所述典型工況下懸架結(jié)構(gòu)件連接點的等效載荷建 立開發(fā)結(jié)構(gòu)件初始設(shè)計域的有限元分析模型的步驟包括:
[0030] 以所獲得的初始設(shè)計域作為開發(fā)結(jié)構(gòu)件的幾何空間進(jìn)行有限元前處理,包括根據(jù) 材料參數(shù)和尺寸規(guī)格進(jìn)行材料定義和網(wǎng)格劃分;
[0031] 根據(jù)所述典型工況下懸架結(jié)構(gòu)件連接點輸入載荷邊界。
[0032] 其中,在所述有限元分析模型的基礎(chǔ)上,采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)獲得開發(fā)結(jié)構(gòu)件的材 料分布并確定基本拓?fù)錁?gòu)型的步驟包括:
[0033] 在所述有限元分析模型基礎(chǔ)上,基于變密度法進(jìn)行開發(fā)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計, 獲得開發(fā)結(jié)構(gòu)件的材料分布并確定基本拓?fù)錁?gòu)型;
[0034] 其中,變密度法將單元材料密度作為設(shè)計變量在0~1之間連續(xù)變化,求解滿足特 定約束條件下目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解;其中目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量、體積或應(yīng)變能;約束條件為結(jié)構(gòu) 體積比、單元應(yīng)力應(yīng)變或材料屈服極限;變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如公式2所示:
[0035]
[0036] 式中:P為單元材料密度,Cw(P)為優(yōu)化目標(biāo)(加權(quán)應(yīng)變能),Q(P)為第i種工 況加權(quán)應(yīng)變能,W1為第i種工況的權(quán)重因子,f( P )為優(yōu)化響應(yīng)函數(shù),Cf cP分別為約 束條件上、下限,N為約束條件數(shù)量;
[0037] 根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,選取合適的密度閾值以確定拓?fù)錁?gòu)型,所述密度閾值取值范 圍為0. 2~0. 3。
[0038] 其中,所述根據(jù)所獲得的開發(fā)結(jié)構(gòu)件基本拓?fù)錁?gòu)型,結(jié)合選定的成型工藝要求獲 得開發(fā)結(jié)構(gòu)件的概念設(shè)計模型的步驟包括:
[0039] 根據(jù)基本構(gòu)型確定載荷傳遞路線和材料密度分布;
[0040] 根據(jù)成型工藝要求選擇成型工藝以及裝配關(guān)系,所述成型工藝包括鑄造、鍛造、沖 壓;
[0041] 獲得開發(fā)結(jié)構(gòu)件概念設(shè)計模型。
[0042] 其中,所述應(yīng)用尺寸優(yōu)化技術(shù),獲得概念設(shè)計模型各參數(shù)最優(yōu)方案及優(yōu)化設(shè)計模 型的步驟包括:
[0043] 根據(jù)所述所獲得的概念設(shè)計模型中的控制參數(shù),通過應(yīng)