王振東,李德淯,伍初東
基于ABAQUS/CAE的某乘用車后下控制臂拓撲優(yōu)化設(shè)計
王振東1,李德淯2,伍初東1
(1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司,湖南 長沙 410205;2.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545006)
文章介紹了利用ABAQUS/CAE對某乘用車后下控制臂進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。在通過模擬整車實際惡劣工況對其進行加載及約束,并結(jié)合ABAQUS/CAE中的優(yōu)化模塊下對控制臂進行拓撲優(yōu)化參數(shù)設(shè)計,計算求解得出最優(yōu)的減重方案,并提供給設(shè)計工程師對控制臂逆向建模。最后對設(shè)計的新結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析校核,校核結(jié)果顯示優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)滿足剛強度設(shè)計要求。
ABAQUS;控制臂;拓撲優(yōu)化;輕量化;剛度
拓撲優(yōu)化技術(shù)作為以提高結(jié)構(gòu)性能或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標的一種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,目前已廣泛在國內(nèi)外汽車企業(yè)得到成功應(yīng)用[1]。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和日益突出的能源問題,汽車輕量化越來越被人們廣泛重視。汽車懸架控制臂是汽車懸架系統(tǒng)中的重要構(gòu)件,懸架零部件的輕量化不僅能降低油耗,也能提高行駛的操作性能,從而提高整車的穩(wěn)定性和舒適性。因此在控制臂概念設(shè)計階段中,就要同時考慮既要滿足剛強度目標,又要盡可能設(shè)計得更輕。然而在探索對零部件的輕量化并不是一件簡單的事情。在傳統(tǒng)的初始設(shè)計中,通常會反復(fù)對有限元分析出的結(jié)果和實驗校核的形式去實現(xiàn)輕量化目標,且結(jié)果往往也達不到理想的輕量化。文章中將會介紹利用ABAQUS/CAE中的拓撲優(yōu)化模塊下對控制臂進行拓撲優(yōu)化分析,以縮短零件的開發(fā)周期,并滿足輕量化設(shè)計的目標。
從Abaqus6.11開始,ABAQUS/CAE新增加了優(yōu)化模塊,采用了專業(yè)拓撲優(yōu)化軟件TOSCA的核心進行優(yōu)化計算,簡稱ATOM(Abaqus Topology Optimization Module),從此標志著Abaqus開始從分析向設(shè)計優(yōu)化進軍。拓撲優(yōu)化是一個在最小化/最大化目標的同時給出所約束的材料的布局的過程。[2]具體過程是以包含指定邊界條件和載荷的初始設(shè)計開始,在符合目標函數(shù)和幾何約束,比如最小體積或者最大剛度的前提下,改變初始設(shè)計區(qū)域的單元密度從而確定結(jié)構(gòu)新的材料分布方式。拓撲優(yōu)化同時還需要考慮標準產(chǎn)品制造過程。例如鑄造和沖壓??梢詢鼋Y(jié)指定區(qū)域、脫模約束等。
文中利用前處理軟件Hypermesh 劃分控制臂優(yōu)化前的有限元模型。將控制臂初始結(jié)構(gòu)設(shè)計模型從UG中導(dǎo)出stp格式,然后導(dǎo)入到Hypermesh,并在Hypermesh對其進行網(wǎng)格建模,網(wǎng)格繪制標準按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行??刂票鄯譃閮?yōu)化區(qū)域和套筒區(qū)域,均采用3mm尺寸的四面體單元C3D4,套筒內(nèi)的創(chuàng)建采用RB2剛性連接,以套筒的中心點主節(jié)點,如圖1所示。最后將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)出inp文件,并將網(wǎng)格inp導(dǎo)入ABAQUS/CAE。
圖1 控制臂初始結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型
在ABAQUS/CAE中需要創(chuàng)建材料截面、裝配零件、分析步的建立、建立連接關(guān)系、載荷邊界的設(shè)定。
材料截面設(shè)置:控制臂優(yōu)化區(qū)域和套筒的材料設(shè)置20#鋼,其中,彈性模量為210000Mpa,泊松比為0.3,密度為7.845E-09t/mm3,屈服強度為245MPa。材料截面創(chuàng)建為實體均質(zhì)屬性,并對控制臂賦予材料截面。分析步的設(shè)置:創(chuàng)建靜力通用分析步,打開幾何非線性。連接關(guān)系設(shè)置:在控制臂前點和后點分別創(chuàng)建非線性襯套連接。
邊界載荷設(shè)置:在整車上的實際路試使用過程中,有十幾種工況,受篇幅所限,文中只對整車中三種典型惡劣路試工況進行有限元分析。如表1中所示。
表1 控制臂載荷工況對比 力N;扭矩N.mm
在ABAQUS/CAE的優(yōu)化模塊中需要創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù)、創(chuàng)建設(shè)計響應(yīng)、目標函數(shù)、約束、幾何約束等。
創(chuàng)建優(yōu)化任務(wù):選擇整個擺臂單元。創(chuàng)建設(shè)計響應(yīng):創(chuàng)建應(yīng)變能、體積響應(yīng)。創(chuàng)建目標函數(shù):創(chuàng)建應(yīng)變能最小設(shè)計響應(yīng)。創(chuàng)建約束:體積約束小于等于原模型的70%。創(chuàng)建幾何約束:凍結(jié)套筒單元、雙向拔模方向等的幾何約束。
圖3是經(jīng)過多次優(yōu)化循環(huán)拓撲優(yōu)化后的結(jié)果。實際逆向模型的時候會考慮實際制作工藝、結(jié)構(gòu)形狀等,以及根據(jù)應(yīng)力分布趨勢進而調(diào)整部分厚度。因此最后得到的控制臂如圖4所示。
圖2 優(yōu)化結(jié)果和UG逆向模型
為了檢驗控制臂優(yōu)化方案的強度是否滿足要求,將根據(jù)優(yōu)化結(jié)果逆向出的控制臂與初始結(jié)構(gòu)進行對比。
圖3 過單側(cè)深坑應(yīng)力對比
圖4 極限轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力對比
圖5 向前緊急制動工況應(yīng)力對比
表2 控制臂載荷強度應(yīng)力對比 應(yīng)力Mpa
從保證汽車安全性角度考慮,對控制臂在X、Y上的剛度有一定的設(shè)置要求。在進行控制臂的剛度計算時,根據(jù)規(guī)范約束各襯套安裝點,經(jīng)過拓撲優(yōu)化前后剛度對比,計算得到的控制臂的剛度見表3。
表3 控制臂載荷剛度對比 剛度N/mm
重量方面,優(yōu)化前,控制臂重為7.5kg,拓撲優(yōu)化后,控制臂僅重5.5kg,減重比26.6%,且優(yōu)化后的應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.00??梢姡趯嶋H工程應(yīng)用中利用拓撲優(yōu)化技術(shù)對于零件的設(shè)計輕量化起到較為突出的表現(xiàn)。
文中通過有限元技術(shù)和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化理論相結(jié)合的方法對某項目汽車控制臂進行了拓撲優(yōu)化,分析結(jié)果表明,利用ABAQUS軟件得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)的剛強度要求,結(jié)果既滿足了制造加工可行性的約束條件,也滿足了控制臂設(shè)計的輕量化,重量上比優(yōu)化前減輕了26.6%。由于篇幅有限,文中只對整車中三種典型惡劣路試工況進行優(yōu)化分析,分析結(jié)果對實際工程設(shè)計也能起到重要指導(dǎo)作用。
[1] 毛春升.一種汽車控制臂拓撲優(yōu)化方法研究[J].時代汽車,2017(8): 116-118.
[2] 金瑩瑩.基于OptiStruct汽車控制臂的拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程師,2018(2):82-84.
[3] 趙清海,張洪信,朱智富,蔣榮超,袁林.汽車懸架控制臂的可靠性拓撲優(yōu)化[J].汽車工程,2018,40(3):313-319.
[4] 上官文斌,蔣翠翠,潘孝勇.汽車懸架控制臂的拓撲優(yōu)化與性能計算[J].汽車工程,2008,30(8):709-712.
Topology optimization design of a passenger vehicle rear lower control arm based on ABAQUS/CAE
Wang Zhendong1, Li Deyu2, Wu Chudong1
( 1.Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Co., Ltd., Hunan Changsha 410205; 2.SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006 )
In this paper, ABAQUS/CAE will be used to optimize the topology design of the rear and lower control arm of a passenger car.In by simulating actual condition of the vehicle to load and constraints, combined with the optimization module of ABAQUS/CAE topology optimization parameter design for control arm, calculated to solve the optimal weight loss plan, and provide design engineers to control arm reverse modeling, and finally to design a new structure of the stress analysis and checking, to check whether meet the requirements of structural strength stiffness design.
ABAQUS;Control arm; Topology optimization; Lightweight;Stiffness
10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.015
U463
A
1671-7988(2021)04-47-03
U463
A
1671-7988(2021)04-47-03
王振東(1991.10-),男,底盤CAE工程師,就職于廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司工程分析部,從事底盤零部件仿真研究工作。