黃小征，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

設(shè)計(jì)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(yáng) 110141）

汽車輕量化是世界汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向，是國(guó)內(nèi)汽車廠商對(duì)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(guó)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(guó)汽車產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、建設(shè)汽車強(qiáng)國(guó)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(duì)某SUV車型的副車架進(jìn)行尺寸和拓?fù)鋬?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(shí)現(xiàn)副車架減重和輕量化設(shè)計(jì)。

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(yán)峻，但汽車在人類生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(guó)政府和汽車行業(yè)面對(duì)的主要問(wèn)題之一。汽車輕量化是實(shí)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(dòng)單元的震動(dòng)，承受和傳遞汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，副車架強(qiáng)度是否滿足要求直接關(guān)系到駕駛的安全性。通過(guò)副車架強(qiáng)度仿真分析對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，從而在車型開發(fā)前期對(duì)副車架進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重，提高汽車的動(dòng)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(duì)某 SUV車型的副車架進(jìn)行尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)副車架減重和輕量化設(shè)計(jì)[6]。

1 建立強(qiáng)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?jiǎng)傂赃B接，點(diǎn)焊采用ACM單元模擬，并創(chuàng)建11種強(qiáng)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(jì)算強(qiáng)度，分別加載11種工況下載荷。

2 模型計(jì)算結(jié)果

2.1 強(qiáng)度分析結(jié)果

副車架強(qiáng)度分析結(jié)果如表1所示。

表1 副車架強(qiáng)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(gè)零部件作為設(shè)計(jì)變量，如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量選擇

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

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

d）將1個(gè)體積響應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化

在上面尺寸優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)副車架上下板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

a）選擇可進(jìn)行拓?fù)鋬?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(jì)區(qū)域一（優(yōu)化前）

圖4 設(shè)計(jì)區(qū)域二（優(yōu)化前）

圖5 設(shè)計(jì)區(qū)域三（優(yōu)化前）

b）創(chuàng)建1個(gè)加權(quán)應(yīng)變能響應(yīng)和1個(gè)體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)；

c）將體積分?jǐn)?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(biāo)函數(shù)min，即剛度最大。拓?fù)鋬?yōu)化后，結(jié)果如下表4，圖6、7、8所示。

表4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖6 設(shè)計(jì)區(qū)域一（優(yōu)化后）

圖7 設(shè)計(jì)區(qū)域二（優(yōu)化后）

圖8 設(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化基于概念設(shè)計(jì)的思想，作為結(jié)果的設(shè)計(jì)空間需要被反饋給設(shè)計(jì)人員并作出適當(dāng)?shù)男薷?；尺寸?yōu)化基于詳細(xì)設(shè)計(jì)的思想，汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的中后期，尺寸優(yōu)化通過(guò)分析總成中各個(gè)鈑金料厚對(duì)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(guò)尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)副車架減重7.7%，達(dá)到了質(zhì)量最輕化設(shè)計(jì)，也為產(chǎn)品研發(fā)部門提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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

[2] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第3版,北京:機(jī)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(jī)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(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016:170-183.

[5] 洪清泉,趙康,張攀. Optistruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016:135-162.

[6] 王得天,王成龍. Optistruct在汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].2007 Altair大中國(guó)區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)論文集,2007:1-8.

[7] 卞翔.基于 OptiStruct的節(jié)能賽車車架設(shè)計(jì)[J].Altair 2012 Hper Works技術(shù)大會(huì)論文集,2012:1-8.

[8] 陳華,豐云秀. 基于HyperWorks的某轎車副車架模態(tài)分析及優(yōu)化[J]. Altair 2012 HperWorks技術(shù)大會(huì)論文集,2012:1-4.

[9] 王力,喻慧然.基于 OptiStruct尺寸優(yōu)化的某試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. Altair 2012 HperWorks技術(shù)大會(huì)論文集,2012:1-12.

國(guó)內(nèi)最大機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地啟用

近日，新松智慧產(chǎn)業(yè)園在沈陽(yáng)正式啟用。該產(chǎn)業(yè)園是目前我國(guó)規(guī)模最大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地，其C4車間是我國(guó)首個(gè)工業(yè)4.0生產(chǎn)示范實(shí)踐廠區(qū)，用機(jī)器人生產(chǎn)機(jī)器人。新松智慧產(chǎn)業(yè)園占地面積26萬(wàn)平方米、建筑面積34萬(wàn)平方米，于2011年12月開工建設(shè)。園區(qū)分為總部大廈、機(jī)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(guó)首個(gè)工業(yè)4.0生產(chǎn)示范實(shí)踐廠區(qū)，該廠區(qū)真正將機(jī)器人、智能設(shè)備和信息技術(shù)融合在制造全過(guò)程，年生產(chǎn)機(jī)器人及智能制造裝備可達(dá)到1萬(wàn)臺(tái)套。據(jù)悉，新松以國(guó)家智能制造專項(xiàng)政策為契機(jī)，目前已有多個(gè)項(xiàng)目成為國(guó)家 2017年智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用立項(xiàng)項(xiàng)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(lái)源： 科技日?qǐng)?bào)）

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(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工作。