1 前言

    CAE（計算機(jī)輔助工程）技術(shù)的發(fā)展大大增強(qiáng)了設(shè)計者通過仿真預(yù)測產(chǎn)品性能的能力。多樣化的CAE技術(shù)不僅可以用預(yù)測產(chǎn)品的性能也可以用產(chǎn)品開發(fā)流程中。優(yōu)化技術(shù)就是產(chǎn)品開發(fā)過程中CAE技術(shù)一個重要的應(yīng)用。現(xiàn)代設(shè)計方法正從傳統(tǒng)的依靠設(shè)計者的經(jīng)驗或者樣件試驗驗證方法向滿足自動化和性能優(yōu)化要求的多學(xué)科集成方法上轉(zhuǎn)變。多學(xué)科集成方法主要基于數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，可以減少物理樣機(jī)試驗，而且達(dá)到產(chǎn)品要求性能的效率非常高。

    現(xiàn)代汽車上扭梁懸架開發(fā)已經(jīng)朝著輕量化和高性能方向發(fā)展。輕量化不僅可以降低整車的質(zhì)量提高整車動力性，還可以降低后懸架簧下質(zhì)量提高懸架的響應(yīng)速度，尤其后懸架在操縱穩(wěn)定性和舒適性方面對整車的影響非常大。多學(xué)科優(yōu)化方法本質(zhì)上是通過設(shè)計和優(yōu)化扭梁懸架使其滿足包括動力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能要求，見圖1。

圖1 扭梁懸架多學(xué)科聯(lián)合優(yōu)化

    在汽車行業(yè)里為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期提高產(chǎn)品的競爭力，通過一個產(chǎn)品模型同時優(yōu)化這個產(chǎn)品的各方面性能變得越來越重要，而且發(fā)展速度也很快。扭梁懸架的設(shè)計過程中就要求同時滿足多方面的性能，像動力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性等。但是現(xiàn)有的多學(xué)科共同設(shè)計方法耗時很長，因為不僅需要做許多重復(fù)工作還要手動更新每一個過程分析數(shù)據(jù)，效率非常低。由于數(shù)據(jù)量大手動傳遞結(jié)果數(shù)據(jù)還容易出現(xiàn)錯誤。通過統(tǒng)計表明自動化集成優(yōu)化要比手動每一個方面單獨優(yōu)化節(jié)省80%的時間。多學(xué)科集成優(yōu)化技術(shù)的本質(zhì)是模型數(shù)據(jù)在集成系統(tǒng)中每一個CAE分析軟件中被確認(rèn)、傳遞和求解，最后經(jīng)過判斷得到滿足所有性能要求的優(yōu)化模型。本文以ADAMS分析結(jié)果為最終目標(biāo)對某物理樣機(jī)扭梁懸架的主要性能部件一扭梁的厚度和外形進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

2 自動化設(shè)計分析

    本文通過將手動設(shè)置設(shè)計分析過程自動化執(zhí)行使每個分析循環(huán)的總消耗時間縮短為22分鐘。因為每一個軟件部分都采用執(zhí)行批處理命令方式分析，檢查每部分分析的中間結(jié)果和參數(shù)也非常方便。

    2.1 設(shè)計分析組成

    2.1.1 CATIA三維設(shè)計

    本文中對縱臂、彈簧座、減振器座、襯套座、輪轂連接板等對性能影響不大零件直接借用，對扭梁的厚度和外形在CATIA中進(jìn)行重新設(shè)計。將扭梁分成中間段、過渡段和端部三部分，對中間段和過渡段分別進(jìn)行參數(shù)化，通過修改參數(shù)以便生成不同的結(jié)構(gòu)。

圖2 CATIA三維設(shè)計

    2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)分析

    扭梁懸架作為柔性體應(yīng)用在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與K&C分析中，柔性體的生成需要使用Nastran軟件對扭梁有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。通過平衡計算速度與精度來決定模態(tài)分析輸出的模態(tài)數(shù)量，見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)分析

    2.1.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

    本文結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工況采用側(cè)傾與側(cè)向力復(fù)合工況。在ADAMS/Car中用扭梁懸架柔性體模型進(jìn)行復(fù)合工況的分析，確定最易破壞的位置和該位置節(jié)點最大應(yīng)力，見圖4。

圖4 負(fù)荷工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

    2.1.4 K&C特性分析

    扭梁懸架K&C特性使用ADAMS/Car進(jìn)行分析。主要評價側(cè)傾、側(cè)向力和縱向力工況中的幾個關(guān)鍵參數(shù)，見圖5。

圖5 ADAMS K&C特性分析

    2.2 設(shè)計分析自動化流程

    本文使用Isight優(yōu)化分析軟件驅(qū)動上述設(shè)計分析軟件。流程中：①先由Catia生成扭梁幾何；②Hypermesh對扭梁幾何劃分網(wǎng)格并交由Nas tran進(jìn)行模態(tài)分析，生成包含應(yīng)力信息和剛度信息的模態(tài)中性文件；③ADAMS/Car利用上一步模態(tài)中性文件建模，進(jìn)行側(cè)傾一側(cè)向力復(fù)合工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；④ADAMS/Car中分析扭梁懸架的典型K&C工況。整個設(shè)計分析流程如圖6、圖7所示。

圖6 扭梁懸架自動化設(shè)計優(yōu)化流程

圖7 Isight集成優(yōu)化流程

3 優(yōu)化

    本文以扭梁懸架的關(guān)鍵部件一扭梁的厚度和截面參數(shù)為變量，以扭梁懸架的強(qiáng)度特性、K&C特性為設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

    3.1 扭梁懸架優(yōu)化目標(biāo)

    確定合適的影響扭梁懸架性能的設(shè)計目標(biāo)在整個設(shè)計優(yōu)化流程中非常重要。設(shè)計目標(biāo)確定不夠最后扭梁懸架的性能滿足不了要求，設(shè)計目標(biāo)過多又會增加設(shè)計優(yōu)化流程的效率。因此本文選擇扭梁懸架的8個重要的設(shè)計目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)。

    (1)最大應(yīng)力（最小）

    (2)側(cè)傾中心高（≤上限值）

    (3)底盤側(cè)傾剛度（下限值≤目標(biāo)值≤上限值）

    (4)側(cè)傾前束梯度（左側(cè)車輪：最大）

    (5)側(cè)傾外傾梯度（左側(cè)車輪：最大）

    (6)側(cè)向力前束梯度（左側(cè)車輪：最大）

    (7)側(cè)向力外傾梯度（左側(cè)車輪：最大）

    (8)質(zhì)量（最小）

    3.2 扭梁懸架優(yōu)化參數(shù)

    本文選擇扭梁懸架中扭梁厚度和中間段、過渡段的形狀參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。中間段的形狀參數(shù)包括扭梁兩層鋼板的最小間隙、扭梁鋼板的各部分尺寸，過渡段的形狀參數(shù)包括過渡段中間截面尺寸、過渡段引導(dǎo)線形狀，見圖8所示。

圖8 扭梁優(yōu)化參數(shù)

    3.3 優(yōu)化結(jié)果

    本文設(shè)計優(yōu)化后扭梁懸架應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，K&C特性滿足動力學(xué)要求。

圖9 優(yōu)化數(shù)據(jù)分析

圖10 因素影響分析

圖11 優(yōu)化后最大應(yīng)力從692.3Mp下降到545.6Mp

圖12 K&C特性優(yōu)化后結(jié)果

4 結(jié)論

    本文對某物理樣機(jī)扭梁后懸架進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，得到的結(jié)論如下：

    1.通過自動化多學(xué)科集成設(shè)計優(yōu)化，大大降低了扭梁懸架的設(shè)計周期。

    2.本文優(yōu)化流程扭使桿式懸架中扭梁參數(shù)的變化對懸架性能影響很容易明確。

    3.扭梁設(shè)計參數(shù)優(yōu)化后懸架整體性能有明顯提高。

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