闞洪貴，趙震，魯后國

基于多目標(biāo)的某鋁合金減振器塔優(yōu)化設(shè)計(jì)

闞洪貴，趙震，魯后國

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230000）

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)在于要充分兼顧不同學(xué)科之間的相互耦合作用，通過有效協(xié)調(diào)不同學(xué)科之間的耦合因素的差異來達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)問題的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章基于某車型鋁合金減振器塔，通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，重點(diǎn)論述了鋁合金減振器塔多目標(biāo)（強(qiáng)度、剛度、模態(tài)）優(yōu)化過程，并最終達(dá)成了多目標(biāo)要求。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；多目標(biāo)；鋁合金減振器塔；強(qiáng)度；剛度；模態(tài)

引言

多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)不是一個(gè)具體的數(shù)學(xué)算法，它是一種解決問題的方法論，能夠解決多學(xué)科綜合問題的一種有效方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)在于要充分兼顧到不同學(xué)科之間的相互耦合作用，通過有效協(xié)調(diào)不同學(xué)科之間的耦合因素的差異來達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)問題的最優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 鋁合金減振器塔多學(xué)科性能優(yōu)化

本文鋁合金減振器塔多學(xué)科優(yōu)化的約束為各個(gè)子模型的性能指標(biāo)，目標(biāo)為能夠反映所有變量的子模型的質(zhì)量，各子系統(tǒng)保留獨(dú)立的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量，不涉及系統(tǒng)變量，采用并行子空間的多學(xué)科優(yōu)化算法[2]。鋁合金減振器塔的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要確定合理準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)厚度，在性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)重量最小?；阡X合金減振器塔的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，重點(diǎn)考慮其單件性能設(shè)計(jì)滿足白車身整體剛度、模態(tài)性能以及單件的強(qiáng)度性能，以鋁合金減振器塔的重量為目標(biāo)，以不同區(qū)域厚度為設(shè)計(jì)變量，完成了鋁合金減振器塔各個(gè)性能、重量的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 鋁合金減振器塔初始模型

初始模型如圖1所示，參考以往車型鋁合金減振器塔設(shè)計(jì)，將鋁合金減振器塔初始模型大體分成主體結(jié)構(gòu)和局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，初步確定了鋁合金減振器塔各個(gè)部分的初始厚度。主體結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：主體框架結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，初始厚度1為3.5 mm；局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，三個(gè)區(qū)域初始厚度2、3、4均為6 mm。初始狀態(tài)下模型質(zhì)量為3.737 kg。

圖1 鋁合金減振器塔初始模型

圖2 鋁合金減振器塔各部分結(jié)構(gòu)

由實(shí)驗(yàn)測試得到減振塔結(jié)構(gòu)存在五種極限工況（如下表1所示），對原結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析得到每個(gè)工況下加載點(diǎn)的位移和結(jié)構(gòu)整體一階模態(tài)頻率，作為拓?fù)鋬?yōu)化過程中剛度約束指標(biāo)。

表1 典型工況載荷表

工況加載點(diǎn)加載方式 Fx/NFy/NFz/NMx/（N/mm）My/（N/mm）Mz/（N/mm） 工況1front?65.0483.0?300.0?12 546.0533.01501.0 middle?504.01 507.06 987.0?987.0?448.021.0 behind?132.02 753.0?1 678.0?12 550.0488.01 425.0 工況2front?162.043.0?4.0?9 891.0?747.0?821.0 middle?503.01 716.08 649.0?1 567.01 111.0?316.0 behind?115.0?1 662.0982.0?9 884.0?657.0?669.0 工況3front5.0127.0?2.06 660.0-23.0596.0 middle?259.0629.03 544.01 504.0-730.0240.0 behind5.0901.020.06 660.0?23.0599.0 工況4front?1 284.02 294.0?793.0?6 348.0?1 518.0?3 575.0 middle?787.01 488.07 256.0?1 366.0?4 139.0707.0 behind?1 229.0?582.0333.0?6 253.0?741.0?1 581.0 工況5front?636.01 285.0?278.0?2 690.0?313.0?1054.0 middle?333.01 277.06 570.0?304.01 489.0?307.0 behind?623.0350.0?31.0?2 675.0?230.0?736.0 左前加載點(diǎn)坐標(biāo)（left front）：（?153.925，?504.600,490.301） 左中加載點(diǎn)坐標(biāo)（left middle）：（?47.100，?525.300,579.900） 左后加載點(diǎn)坐標(biāo)（left behind）：（65.825，?504.500,479.799）

1.2 鋁合金減振器塔塔強(qiáng)度性能分析

鋁合金減振器塔是重要的前懸安裝點(diǎn)，首先對該模型的強(qiáng)度性能進(jìn)行了有限元分析確認(rèn)。基于整車工況，單件強(qiáng)度分析包括垂直2.5，右轉(zhuǎn)彎1，左轉(zhuǎn)彎1，制動(dòng)1和靜止起步共五個(gè)工況。鋁合金減振器塔材料屈服強(qiáng)度為220 MPa，強(qiáng)度性能要求安全系數(shù)大于1。鋁合金減振器塔強(qiáng)度分析模型如圖3所示。

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進(jìn)行了強(qiáng)度性能分析，分析得到左轉(zhuǎn)彎1工況應(yīng)力最大為155 MPa，如圖4所示，安全系數(shù)為1.42，滿足強(qiáng)度性能?；趶?qiáng)度性能，鋁合金減振器塔初始厚度設(shè)計(jì)針對其輕量化設(shè)計(jì)存在可優(yōu)化空間。

圖3 鋁合金減振器塔模態(tài)強(qiáng)度性能分析模型

圖4 鋁合金減振器塔左轉(zhuǎn)彎1g工況

1.3 集成鋁合金減振器塔的白車身剛度分析

針對鋁合金壓鑄減振器的剛度要求必須優(yōu)于鋼制件的剛度，其剛度性能是通過對白車身整體剛度的貢獻(xiàn)進(jìn)行評估的，具體要求采用鋁合金減振器塔的白車身整體剛度性能不能低于鋼制減振器的白車身整體剛度，原始白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別為18 000 N/mm和25 000 Nm/deg。白車身彎曲剛度模型和扭轉(zhuǎn)剛度模型，如圖5所示。

圖5 集成鋁合金減振器塔的白車身剛度分析模型

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進(jìn)行了剛度性能分析，分析得到白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別為18 510 N/mm和26 400 Nm/deg。減振器初始方案，單件剛度增加，同時(shí)作為加載點(diǎn)和約束點(diǎn)，局部變形減小，整體剛度提升?；诎总嚿碚w剛度性能，鋁合金減振器塔初始厚度設(shè)計(jì)存在優(yōu)化空間。

1.4 集成鋁合金減振器塔的白車身模態(tài)性能分析

針對鋁合金壓鑄減振器的剛度要求，同時(shí)還要確保其剛度性能不能影響白車身的模態(tài)性能，具體要求采用鋁合金減振器塔的白車身模態(tài)性能不能低于鋼制減振器的白車身模態(tài)，原始白車身的基頻、一階扭轉(zhuǎn)、一階彎曲模態(tài)分別為31.2 Hz、36.3 Hz、46.1 Hz。白車身模態(tài)分析模型，如圖6所示。

圖6 白車身模態(tài)分析模型

利用MSC公司的NASTRAN軟件對鋁合金減振器塔的初始模型進(jìn)行了剛度性能分析，分析得到原始白車身的基頻、一階扭轉(zhuǎn)、一階彎曲模態(tài)分別為31.4 Hz、36.4 Hz、46.5 Hz。白車身模態(tài)性能變化較小。

1.5 鋁合金減振器塔的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對鋁合金減振器塔的強(qiáng)度性能、白車身彎曲剛度性能、白車身扭轉(zhuǎn)剛度模型、白車身模態(tài)模型，構(gòu)建了多學(xué)科四個(gè)子系統(tǒng)模型，多學(xué)科優(yōu)化采用altair的多學(xué)科優(yōu)化MDO模塊完成，該模塊可以可視化定義模型和自動(dòng)關(guān)聯(lián)變量，完成多學(xué)科優(yōu)化分析的流程化。多學(xué)科優(yōu)化集成四個(gè)性能模型如圖7所示。

圖7 白車身模態(tài)分析模型

四個(gè)分析模型中均包括了鋁合金減振器塔的四個(gè)厚度變量1，2，3，4，不同模型間相同變量進(jìn)行了相等關(guān)聯(lián)，即后三個(gè)模型中的變量均等于第一個(gè)模型的變量，整個(gè)優(yōu)化過程中只有4個(gè)獨(dú)立變量，變量關(guān)聯(lián)定義如圖8所示。

圖8 變量關(guān)聯(lián)定義

鋁合金減振器塔塔設(shè)計(jì)變量的初始值和范圍如表2所示。

表2 鋁合金減振器塔塔設(shè)計(jì)變量初始值和范圍

設(shè)計(jì)變量初始值下限上限 t1/mm3.535 t2/mm637 t3/mm637 t4/mm637

表3 鋁合金減振器塔性能優(yōu)化前后對比

性能要求分析工況初始設(shè)計(jì)優(yōu)化解性能要求 重量模型重量/kg3.7373.153 強(qiáng)度安全系數(shù)（1）1.421.1＞1 彎曲剛度剛度/(N/mm)18 51018 410＞18 000 扭轉(zhuǎn)剛度剛度/(Nm/deg)26 40026 200＞25 000 白車身模態(tài)基頻/Hz31.431.4＞30 一階扭轉(zhuǎn)/Hz36.436.3＞35 一階彎曲/Hz46.546.4＞45

針對優(yōu)化過程本文都采用基于響應(yīng)面的全局優(yōu)化方法，系統(tǒng)級優(yōu)化中總共經(jīng)過50次迭代得到最優(yōu)解，變量1，2，3，4分別為3.5 mm，4 mm，4 mm和6 mm。經(jīng)過協(xié)同優(yōu)化后，鋁合金減振器塔的系統(tǒng)和子系統(tǒng)級性能指標(biāo)如表3所示，減振器各個(gè)性能要求滿足目標(biāo)，鋁合金減振器塔重量由3.737 kg降低到了3.153 kg，減重比重為15.6 %，較好地實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。由此可見，該方法的應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了鋁合金減振器塔多性能的集成設(shè)計(jì)，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)了后期鋁合金減振器塔塔結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)論

本文基于某車型鋁合金減振器塔，通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，重點(diǎn)論述了鋁合金減振器塔多目標(biāo)（強(qiáng)度、剛度、模態(tài)）優(yōu)化過程，優(yōu)化過程中性能設(shè)計(jì)和重量之間往往存在沖突，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)滿足各個(gè)性能前提下的重量最小化設(shè)計(jì)提供了有效的解決方法?；阡X合金減振器的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，重點(diǎn)考慮其單件性能設(shè)計(jì)滿足白車身整體剛度、模態(tài)性能以及單件的強(qiáng)度性能，以鋁合金減振器的重量為目標(biāo)，以不同區(qū)域厚度為設(shè)計(jì)變量，完成了鋁合金減振器各個(gè)性能、重量的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了后期鋁合金減振器的輕量化設(shè)計(jì)。

[1] 秦東晨,王麗霞,張珂,等.汽車車身的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)(MDO)研究[J].現(xiàn)代機(jī)械,2004(05):4-6.

[2] 屈翔,游四海,賈秋紅.多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2006(20):26-27.

Optimization Design of an Aluminum Slloy Shock Absorber Tower Based on Multi-Objective

KAN Honggui, ZHAO Zhen, LU Houguo

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230000 )

Multidisciplinary design optimization focuses on giving full consideration to the mutual coupling between different disciplines, and achieving the optimal design of the whole system problem by effectively coordinating the differences of coupling factors between different disciplines. Based on a certain type of aluminum alloy shock absorber tower, this paper focuses on the multi-objective optimization process (strength, stiffness, mode) of aluminum alloy shock absorber tower through multidisciplinary optimization design ideas, and finally achieves the multi-objective requirements.

Multidisciplinary design optimization;Multiple target;Aluminum alloy shock absorber tower;Strength; Stiffness; Mode

A

1671-7988(2021)22-56-04

U463.213

A

1671-7988(2021)22-56-04

CLC NO.: U463.213

闞洪貴（1983—），男，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事車體設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)研究項(xiàng)目（2016 YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.014