黃小征，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

設(shè)計研究

基于Optistruct某SUV副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃小征，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車輕量化是世界汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向，是國內(nèi)汽車廠商對能源環(huán)境挑戰(zhàn)的共同選擇，也是汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。發(fā)展汽車輕量化技術(shù)，是我國節(jié)能減排的需要，也是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，更是提升我國汽車產(chǎn)品國際競爭力、建設(shè)汽車強國的需要。文章應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件 Optistruct，在滿足性能要求的前提下，對某SUV車型的副車架進行尺寸和拓撲優(yōu)化分析，找到最優(yōu)鈑金件厚度和重要單元密度區(qū)域，實現(xiàn)副車架減重和輕量化設(shè)計。

輕量化；副車架；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；Optistruct

前言

能源需求與環(huán)境污染的壓力日益嚴峻，但汽車在人類生活和經(jīng)濟活動中也發(fā)揮著不可替代的作用。因此，如何減少汽車能源消耗與降低排放成為各國政府和汽車行業(yè)面對的主要問題之一。汽車輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要途徑，已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流[1]。

副車架是乘用車底盤中非常重要的安全及承載部件，其支撐著前、后軸荷簧載質(zhì)量，隔離驅(qū)動單元的震動，承受和傳遞汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，副車架強度是否滿足要求直接關(guān)系到駕駛的安全性。通過副車架強度仿真分析對其強度進行評估，從而在車型開發(fā)前期對副車架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制的條件下實現(xiàn)產(chǎn)品減重，提高汽車的動力性，降低燃料消耗，減少排氣污染[2~3]。

本文利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件 Optistruct[4~5]，在滿足性能要求的前提下，對某 SUV車型的副車架進行尺寸和拓撲優(yōu)化分析，實現(xiàn)副車架減重和輕量化設(shè)計[6]。

1 建立強度分析模型

1.1 幾何模型

在CATIA三維模式下，副車架幾何模型如圖1所示。

圖1 副車架幾何模型

1.2 有限元模型

在前處理ANSA軟件中，以基本單元尺寸5mm劃分網(wǎng)格，縫焊采用Shell單元剛性連接，點焊采用ACM單元模擬，并創(chuàng)建11種強度分析工況[7~9]，副車架有限元模型如圖2所示。

圖2 副車架有限元模型

1.3 邊界條件設(shè)定

不添加約束條件，采用慣性釋放方法計算強度，分別加載11種工況下載荷。

2 模型計算結(jié)果

2.1 強度分析結(jié)果

副車架強度分析結(jié)果如表1所示。

表1 副車架強度分析結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.2.1 尺寸優(yōu)化

a）選擇以下7個零部件作為設(shè)計變量，如表2所示。

表2 設(shè)計變量選擇

b）創(chuàng)建7個零部件應(yīng)力響應(yīng)和1個體積響應(yīng)；

c）將7個零部件應(yīng)力響應(yīng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力約束<305MPa；

d）將1個體積響應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標函數(shù)min。

尺寸優(yōu)化后，結(jié)果如表3所示。

表3 尺寸優(yōu)化結(jié)果

尺寸優(yōu)化后的重量為20.4Kg，比優(yōu)化前降低了6%。

2.2.2 拓撲優(yōu)化

在上面尺寸優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對副車架上下板進行拓撲優(yōu)化。

a）選擇可進行拓撲優(yōu)化的副車架上下板的平面紫色區(qū)域，如圖3、4、5所示。

圖3 設(shè)計區(qū)域一（優(yōu)化前）

圖4 設(shè)計區(qū)域二（優(yōu)化前）

圖5 設(shè)計區(qū)域三（優(yōu)化前）

b）創(chuàng)建1個加權(quán)應(yīng)變能響應(yīng)和1個體積分數(shù)響應(yīng)；

c）將體積分數(shù)響應(yīng)轉(zhuǎn)化為約束<0.6；

d）將加權(quán)應(yīng)變能響應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標函數(shù)min，即剛度最大。拓撲優(yōu)化后，結(jié)果如下表4，圖6、7、8所示。

表4 拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖6 設(shè)計區(qū)域一（優(yōu)化后）

圖7 設(shè)計區(qū)域二（優(yōu)化后）

圖8 設(shè)計區(qū)域三（優(yōu)化后）

尺寸優(yōu)化后的重量為 20.04Kg，比優(yōu)化前降低了 1.8%[10~13]。

3 結(jié)論

拓撲優(yōu)化基于概念設(shè)計的思想，作為結(jié)果的設(shè)計空間需要被反饋給設(shè)計人員并作出適當?shù)男薷模怀叽鐑?yōu)化基于詳細設(shè)計的思想，汽車產(chǎn)品設(shè)計的中后期，尺寸優(yōu)化通過分析總成中各個鈑金料厚對總體性能影響的敏感度，重新優(yōu)化鈑金件厚度?；谏鲜鰞煞N思想，在滿足性能要求的前提下，通過尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)副車架減重7.7%，達到了質(zhì)量最輕化設(shè)計，也為產(chǎn)品研發(fā)部門提供了強有力的設(shè)計依據(jù)。

[1] B.克萊恩.輕量化設(shè)計[M].第8版,北京:機械工業(yè)出版社,2010:1-8.

[2] 余志生.汽車理論[M].第3版,北京:機械工業(yè)出版社,2002:11-17.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].第3版,北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,李楚琳. 基于 HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016:170-183.

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國內(nèi)最大機器人產(chǎn)業(yè)基地啟用

近日，新松智慧產(chǎn)業(yè)園在沈陽正式啟用。該產(chǎn)業(yè)園是目前我國規(guī)模最大的機器人產(chǎn)業(yè)基地，其C4車間是我國首個工業(yè)4.0生產(chǎn)示范實踐廠區(qū)，用機器人生產(chǎn)機器人。新松智慧產(chǎn)業(yè)園占地面積26萬平方米、建筑面積34萬平方米，于2011年12月開工建設(shè)。園區(qū)分為總部大廈、機器人展示中心、綜合辦公樓及產(chǎn)業(yè)區(qū)等，設(shè)有研發(fā)中心、潔凈裝備制造中心、數(shù)字裝備制造中心、成套裝備制造中心、柔性智能制造中心、大型裝備制造中心等。據(jù)介紹，產(chǎn)業(yè)園的C4車間暨數(shù)字化工廠是中國首個工業(yè)4.0生產(chǎn)示范實踐廠區(qū)，該廠區(qū)真正將機器人、智能設(shè)備和信息技術(shù)融合在制造全過程，年生產(chǎn)機器人及智能制造裝備可達到1萬臺套。據(jù)悉，新松以國家智能制造專項政策為契機，目前已有多個項目成為國家 2017年智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用立項項目，為新松下一步拓展新行業(yè)起到示范作用。

（編輯： 寇嬌潔 來源： 科技日報）

Structure optimization of SUV subframe based on optistruct

Huang Xiaozheng,Wang Shuai, Li Fei
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Car lightweight is an important direction for the automotive technology development in the world, is the common choice of the energy and environmental challenges for domestic car manufacturers, and is also the automobile industry sustainable development of the only way. The technology development of car lightweightization is the need for energysaving emission-reducting in China, is the need for industrial restructuring, and is also the need for enhancing the interna-tional competitiveness of China's auto products and building a car power. The paper applicates the structure optimization software Optistruct, takes the dimensions and topological optimization analysis for a SUV subframe meeting the perfor-mance requirements of the premise, in order to find the best thickness of sheet meta、important cell density area, and further achieve the subframe weight loss and lightweight design.

Lghtweight; Subframe; Structure optimazation; Optistruct

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-01-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.001

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-01-03

黃小征，就職于華晨汽車工程研究院，工程師，主要從事輕量化設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工作。