基于偽密度法的汽車懸架擺臂拓?fù)鋬?yōu)化

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1、基于偽密度法的汽車懸架擺臂拓?fù)鋬?yōu)化id=“artibody”>　　摘要：通過(guò)建立汽車懸架的三維運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)用COSMOSmotion進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化所需的載荷條件，以上擺臂為例，在HyperWorks中建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，確定設(shè)計(jì)區(qū)域，并針對(duì)擺臂的不同制造工藝，采取相應(yīng)的制造約束條件，采用多工況單一目標(biāo)的方案，基于偽密度法對(duì)擺臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)了擺臂的概念設(shè)計(jì)目標(biāo)?！　￡P(guān)鍵詞：懸架擺臂；偽密度法；制造約束；拓?fù)鋬?yōu)化　　中圖分類號(hào)：TP202+.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-2550（20

2、14）02-0001-05　　擺臂也稱控制臂，是汽車獨(dú)立懸架系統(tǒng)的重要安全件和功能件。擺臂在比較復(fù)雜的受力狀態(tài)下工作，要承受牽引力、制動(dòng)力、側(cè)向力和力矩等。在擺臂的設(shè)計(jì)中，其強(qiáng)度、固有頻率以及縱向和橫向的剛度要滿足指定要求。擺臂采取的制造工藝一般為鍛造或鑄造。對(duì)擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1][2]都通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了初步的研究，文獻(xiàn)[1]通過(guò)ADAMS軟件仿真車輛行駛工況，獲得載荷條件，進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，但在優(yōu)化中沒(méi)有考慮制造約束情況。文獻(xiàn)[2]的載荷條件直接由試驗(yàn)結(jié)果給定，僅考慮制造拔模約束。本文所進(jìn)行的汽車

3、麥弗遜懸架上擺臂的概念設(shè)計(jì)是在HyperWorks平臺(tái)上，基于三維連續(xù)體偽密度法進(jìn)行的拓?fù)鋬?yōu)化，并充分考慮多種制造約束。　　拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，能在給定的空間結(jié)構(gòu)中生成優(yōu)化的形狀與材料分布。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問(wèn)題。通過(guò)將區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格，HyperWorks的優(yōu)化模塊（OptiStruct）為每個(gè)單元計(jì)算材料特性，在給定的約束條件下，利用近似與優(yōu)化算法更改材料的分布，以優(yōu)化用戶給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)在任意連續(xù)三次迭代中的改變量低于給

4、定公差時(shí)，即得到收斂結(jié)果?！　≡谕?fù)鋬?yōu)化中，每個(gè)單元的密度值應(yīng)取0或1，單元分別定義為空或?qū)嶓w。但大量離散變量的優(yōu)化是無(wú)法計(jì)算的，因此，必須用連續(xù)變量的方式表示材料的分配問(wèn)題。偽密度法是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中的一種有效方法，通過(guò)人為引入一種假想材料，材料的密度是可變的?；谶@種方法，材料的剛度被假想成與密度成線性關(guān)系，每個(gè)單元的材料密度直接作為設(shè)計(jì)變量，在0-1之間連續(xù)變化，優(yōu)化的結(jié)果是材料的最優(yōu)化分布，材料的分布反映了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?。在OptiStruct中偽密度法也是實(shí)施制造約束的唯一方法[3][4]?！　”疚木蛢?/p>

5、種不同的工藝采取相應(yīng)的約束條件，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化功能對(duì)上擺臂進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)不僅要滿足所有載荷工況的約束要求且質(zhì)量更輕，為產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐?！　?上擺臂的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作　　1.1模型基本參數(shù)及載荷的來(lái)源與確定　　圖1懸架運(yùn)動(dòng)模型　　根據(jù)新款車型整車總布置，確定硬點(diǎn)位置，在SolidWorks建立麥弗遜懸架總體運(yùn)動(dòng)模型，如圖1所示。選取汽車典型行駛工況時(shí)[1][2]，運(yùn)用COSMOSmotion對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到擺臂外端與轉(zhuǎn)向節(jié)連接處的作用力，以便獲取優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析中所需的載荷

6、條件[5]?！　?.2有限元模型建立　　基于以上運(yùn)動(dòng)模型，建立上擺臂設(shè)計(jì)邊界，在SolidWorks環(huán)境建立拓?fù)鋬?yōu)化三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型，畢業(yè)論文格式并轉(zhuǎn)化為iges格式文件導(dǎo)入HyperWorks，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和求解精度，選擇網(wǎng)格尺寸（單元尺寸）為30mm，單元類型選用四面體，劃分網(wǎng)格后，整個(gè)擺臂共有27725個(gè)節(jié)點(diǎn)，11122個(gè)單元，所建立的有限元模型如圖2所示。為了真實(shí)準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)本身的實(shí)際情況，在擺臂接觸孔周圍以及與車架連接處將所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)剛性單元（RBE2）連接在一起，這些RBE2是

7、一些沒(méi)有質(zhì)量的單元，連接比較容易，且接近實(shí)際結(jié)構(gòu)受力特性?！　D2優(yōu)化前控制臂有限元模型id=“artibody”>　　1.3材料選取　　在Collectors面板下的create子面板中創(chuàng)建一個(gè)材料集合器，cardimage類型選擇為MAT1：MAT1是指所選材料為線形、不受溫度影響、各向同行材料。若上擺臂采取鍛造工藝，選取40Cr材料，彈性模量為2e+05，泊松比為0.3。　　1.4邊界條件的建立與載荷施加　　在模型上施加載荷之前，要先建立一個(gè)載荷集合器，以便把要施加的載荷經(jīng)處理后存入計(jì)算機(jī)，為以后載荷施加的調(diào)

8、用提供支持。麥弗遜懸架控制臂分析時(shí)通常固定前襯套X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)，后襯套點(diǎn)Y、Z方向平動(dòng)，外球銷點(diǎn)Z方向平動(dòng)?！　「鶕?jù)以上由COSMOSmotion獲得的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、凹坑上跳工況時(shí)的縱向、側(cè)向力和垂向力，在上擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接處添加X(jué)、Y、Z方向的載荷，施加到相應(yīng)的單元（RBE2單元）和節(jié)點(diǎn)（3698）上。如表1及如圖3所示?！　”?載荷的設(shè)定　　圖3多