項(xiàng)目介紹

    后扭轉(zhuǎn)梁（RTB）懸架系統(tǒng)通常用于A、B和越來(lái)越多的C級(jí)車，其優(yōu)點(diǎn)在于制造成本低，包裝要求小，與汽車操控性能有良好的兼容性。

    除了需要滿足一定的剛度和耐久性要求，當(dāng)其彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性也被納入考慮范圍時(shí)，RTB的設(shè)計(jì)就變得困難。目前，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和優(yōu)化方法來(lái)探索可用的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)減輕RTB的重量并降低設(shè)計(jì)成本是可行的方案。

    Gestamp公司是全球性的底盤(pán)零部件供應(yīng)商，其客戶包括福特、大眾、寶馬和本田。它在英國(guó)、西班牙和德國(guó)設(shè)有技術(shù)中心，不斷擴(kuò)大的全球業(yè)務(wù)促使其需要不斷地開(kāi)發(fā)低成本，高容量的底盤(pán)產(chǎn)品�；�于對(duì)零部件的質(zhì)量和成本（與質(zhì)量密切相關(guān)）的考慮，Gestamp公司與其客戶從2005年開(kāi)始引入Altair公司的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)理念。

    通過(guò)形狀優(yōu)化，形成了成本相對(duì)較低的“U”形設(shè)計(jì)，既滿足RTB設(shè)計(jì)的剛性目標(biāo)，又降低了反相滾動(dòng)負(fù)載情況下關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力，從而提高了耐久性。

    如今，這個(gè)耐久性要求已被確定為這種類型RTB設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一。

挑戰(zhàn)

    一個(gè)“U”形的RTB設(shè)計(jì)通常需要考慮幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。限定主要結(jié)構(gòu)部件形狀的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是側(cè)傾剛度和側(cè)傾轉(zhuǎn)向。二者都受到扭轉(zhuǎn)元件（RTB的橫向構(gòu)件）形狀、位置、截面參數(shù)的影響。

解決方案

    Gestamp公司選擇Altair開(kāi)發(fā)的一套自定義工具，簡(jiǎn)稱為“RTB工具箱”，它可以用來(lái)指導(dǎo)最初的RTB概念設(shè)計(jì)，使其一些參數(shù)符合運(yùn)動(dòng)學(xué)和法規(guī)（K＆C）的要求，如側(cè)傾剛度和側(cè)傾轉(zhuǎn)向，從而消除初始“反復(fù)試錯(cuò)”的設(shè)計(jì)循環(huán)。

    該軟件使用高性能前處理器HyperMesh在RTB裝配體的每個(gè)組件中創(chuàng)建外形設(shè)計(jì)變量，HyperStudy用于設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)，通過(guò)DOE可以得到每一個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)于響應(yīng)的靈敏度，另外DOE可以為后續(xù)響應(yīng)面的創(chuàng)建提供數(shù)據(jù)點(diǎn)，最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)將基于響應(yīng)面進(jìn)行。

    設(shè)計(jì)過(guò)程的下一階段是建立從優(yōu)化工具箱輸出的CAD模型。這個(gè)模型滿足耐久性要求和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多個(gè)客戶項(xiàng)目驗(yàn)證，反相滾動(dòng)耐用性負(fù)載顯著影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)的垂直位移被施加到一個(gè)RTB系統(tǒng)的車輪中心，以模擬車輛轉(zhuǎn)彎的重復(fù)循環(huán)載荷。一般來(lái)說(shuō)，側(cè)傾剛度增加，疲勞性能降低。耐久性分析和先前實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)可以定義關(guān)鍵位置焊縫的應(yīng)力極限（例如本例中加強(qiáng)件與扭轉(zhuǎn)件之間）。這兩個(gè)部件的關(guān)系對(duì)側(cè)傾剛度和疲勞壽命有顯著影響。加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度和扭轉(zhuǎn)元件截面形狀的組合形狀優(yōu)化可以得到一個(gè)最優(yōu)解，從而在滿足耐久性與剛度的條件下，最大限度地減輕質(zhì)量。經(jīng)過(guò)與多個(gè)類似產(chǎn)品的對(duì)比，表明OptiStruct是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具。

圖1 RTB工具箱界面

圖2 反向滾動(dòng)疲勞應(yīng)力云圖

圖3 優(yōu)化后的RTB結(jié)構(gòu)

    “RTB工具箱”的發(fā)展大大減少了項(xiàng)目初期概念設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)間。這個(gè)工具箱設(shè)計(jì)方法的另一個(gè)好處是DOE的使用。這些研究在快速得到以各種K&C目標(biāo)，包括裝配體內(nèi)各部件的形狀的靈敏度方面極具價(jià)值。

    OptiStruct提供的優(yōu)化能力被廣泛應(yīng)用于調(diào)整該工具箱輸出的設(shè)計(jì)，并使其最終滿足耐久性要求同時(shí)確保滿足K&C性能要求，扭轉(zhuǎn)原件邊緣的局部形狀優(yōu)化也成功地用于生成不同水平側(cè)傾剛度的設(shè)計(jì)中。

結(jié)論

    采用“U”形截面設(shè)計(jì)的RTB扭轉(zhuǎn)元件通常被看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的、低成本的解決方案。然而，當(dāng)材料厚度大于6mm，有時(shí)為了滿足性能目標(biāo)，使用昂貴的“擠壓管”式的扭轉(zhuǎn)元件，該元件與“U”形截面扭轉(zhuǎn)原件相比，明顯要重的多。

    Gestamp公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到通過(guò)“U”形截面的設(shè)計(jì)優(yōu)化從而減少質(zhì)量的潛力，HyperWorks中的“RTB工具箱”可以快速的創(chuàng)建符合K&C目標(biāo)的一個(gè)RTB幾何體，消除最初的“反復(fù)試錯(cuò)”的設(shè)計(jì)循環(huán)。對(duì)彈性元件和加強(qiáng)件的形狀進(jìn)行了優(yōu)化，盡量減輕重量，同時(shí)滿足耐久性要求。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，Gestamp公司可以更好更快的設(shè)計(jì)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)、低成本的RTB結(jié)構(gòu)。

    Gestamp公司RTB設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的下一步計(jì)劃包括：

    ◆考慮諸如硬點(diǎn)位置、彈簧等外部因素從而確定一個(gè)更加優(yōu)化的解決方案。MotionSolve將用于此過(guò)程。

    ◆權(quán)衡各種設(shè)計(jì)變量以確定哪些變量微小的變化可以導(dǎo)致重量的大幅度降低。

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