李 建， 韓明亮， 孫志賓， 王永彬

（魏橋國科（濱州）科學(xué)工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 山東濱州 256600）

0 引言

副車架作為汽車底盤結(jié)構(gòu)的核心組成部分， 起到了承載和隔振的作用[1]。其優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在提升汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和安全等性能，并實(shí)現(xiàn)降重。 本文將探討副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體技術(shù)路線， 以期為副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)供有價(jià)值的參考。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值仿真方法，以特定的目標(biāo)和約束條件為基礎(chǔ)，對工程結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、材料等進(jìn)行優(yōu)化的過程。 其目的是在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，最大程度的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化、提高結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能指標(biāo)。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的需求衍生出了拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化等不同的優(yōu)化技術(shù)方法[2]。

本文的優(yōu)化對象為拼焊式副車架， 在綜合考慮新產(chǎn)品的優(yōu)化目標(biāo)后將優(yōu)化方向確定為一體壓鑄式副車架。一體壓鑄式副車架在結(jié)構(gòu)和工藝方面具有強(qiáng)度高、 質(zhì)量輕、焊縫少、制造成本低和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。

1 優(yōu)化目標(biāo)提取

副車架的設(shè)計(jì)包含強(qiáng)度、剛度、NVH、模態(tài)和碰撞等性能指標(biāo)。 分別對標(biāo)桿件（拼焊式副車架）進(jìn)行有限元分析，將各性能指標(biāo)分析結(jié)果作為優(yōu)化指標(biāo)。

1.1 拼焊式副車架強(qiáng)度分析

為獲取副車架的強(qiáng)度工況的輸入， 在多體動力學(xué)分析軟件中搭建多剛體模型并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析， 提取副車架各接附點(diǎn)載荷信息，載荷信息如圖1 所示。將獲取的載荷輸入到副車架的有限元模型中采用慣性釋放的方式進(jìn)行強(qiáng)度的分析。 考慮到后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)際需求將工況1、工況5、工況6、工況9 四個(gè)包絡(luò)工況組作為強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行提取。

圖1 包絡(luò)工況強(qiáng)度加載

4 個(gè)包絡(luò)工況應(yīng)力云圖如圖2 所示。為方便對比將4 個(gè)強(qiáng)度工況的應(yīng)力極值統(tǒng)計(jì)到表1 中。

表1 拼焊式副車架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

1.2 拼焊式副車架剛度和模態(tài)

剛度工況計(jì)算：在下擺臂、電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)、橫向穩(wěn)定桿接附點(diǎn)施加三項(xiàng)載荷， 約束車身懸置安裝點(diǎn)。各接附點(diǎn)和約束信息如圖3 所示。計(jì)算并記錄剛度值如表2 所示。 在車身連接點(diǎn)約束6 向自由度，計(jì)算約束模態(tài)如圖4 所示，記錄前3 階模態(tài)結(jié)果如表3 所示。各接附點(diǎn)三向剛度計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 拼焊式副車架剛度

表3 拼焊式副車架前3 階模態(tài)結(jié)果

圖3 各接附點(diǎn)信息

圖4 拼焊式副車架模態(tài)云圖

1.3 拼焊式副車架動剛度

根據(jù)各安裝點(diǎn)的實(shí)際連接方式選取下擺臂和電機(jī)安裝點(diǎn)進(jìn)行動剛度的計(jì)算和性能目標(biāo)的提取， 計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。 將計(jì)算結(jié)果匯總到表4 中。

表4 拼焊式副車架各接附點(diǎn)動剛度

圖5 拼焊式副車架動剛度

2 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，重新規(guī)劃結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑，提升副車架的性能；第二階段進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化材料的厚度布局實(shí)現(xiàn)副車架的輕量化。

2.1 副車架拓?fù)鋬?yōu)化

2.1.1 拓?fù)鋬?yōu)化的基本原理

拓?fù)鋬?yōu)化是一種通過改變結(jié)構(gòu)形狀和布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)。拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有均勻化方法、 變密度法、 漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、水平集方法等[3]。 其中變密度法基本原理是將設(shè)計(jì)域分割為許多小單元，每個(gè)單元可以有不同的偽材料密度。然后通過迭代計(jì)算，在滿足約束條件下，將材料從不需要的區(qū)域轉(zhuǎn)移到需要的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)剛度、質(zhì)量、模態(tài)等優(yōu)化目標(biāo)。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型搭建

副車架的優(yōu)化涉及到剛度、 強(qiáng)度、 動剛度和模態(tài)指標(biāo)，按照優(yōu)化策略不同可分為兩大類，其中剛度、強(qiáng)度和模態(tài)可歸一化為柔度最小目標(biāo)，動剛度以質(zhì)量最小目標(biāo)。建立各自目標(biāo)的約束集，使用MMO 技術(shù)將兩個(gè)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行疊加獲得結(jié)構(gòu)最佳的副車架結(jié)構(gòu)。 根據(jù)上述描述將優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型搭建為：

兩個(gè)獨(dú)立的歸一化目標(biāo)中，Wx表示目標(biāo)柔度值，x 表示各體積優(yōu)化變量，Mx表示目標(biāo)總質(zhì)量，x 表示各質(zhì)量優(yōu)化變量。 柔度歸一化約束函數(shù)用體積分?jǐn)?shù)Vx小于設(shè)定的目標(biāo)值Vm和最大應(yīng)力Sx小于設(shè)定的目標(biāo)值Sm表示[4]。質(zhì)量歸一化目標(biāo)函數(shù)使用加權(quán)IPI 進(jìn)行第二類響應(yīng)約束。

MMO 優(yōu)化采用并行技術(shù)將不同目標(biāo)或者相似類型的優(yōu)化進(jìn)行復(fù)合， 優(yōu)化后可以獲得符合多類型性能要求的結(jié)構(gòu)。 MMO 通過主控文件調(diào)用兩個(gè)不同目標(biāo)fem 文件，本次優(yōu)化使用的主控文件如下所示：

主控文件中，static.fem 調(diào)用的是剛強(qiáng)度優(yōu)化結(jié)果，dynamic.fem 調(diào)用的是動剛度優(yōu)化的結(jié)果， 調(diào)用4 線程進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.3 優(yōu)化結(jié)果及解讀

經(jīng)過多輪的工藝和參數(shù)調(diào)整后獲得理想的副車架優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，新副車架以單向拔模起筋的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置， 符合一體壓鑄設(shè)計(jì)思路。 優(yōu)化結(jié)果清晰，載荷傳遞路徑合理。 將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行解讀和重塑如圖7 所示。

圖6 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

圖7 副車架結(jié)構(gòu)重塑

2.2 副車架參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化獲得了合理的副車架結(jié)構(gòu)， 為了獲得一款厚度分布合理、 輕量化的副車架結(jié)構(gòu)對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化。

為獲得尺寸變化的極限結(jié)果，將副車架的外輪廓和所有加強(qiáng)筋完全離散化， 根據(jù)工藝要求設(shè)置優(yōu)化上下限的百分比。 離散化共獲得32 個(gè)設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化目標(biāo)和約束的設(shè)置與拓?fù)鋬?yōu)化保持一致。 獲得最終的優(yōu)化結(jié)果如圖8 所示，將優(yōu)化結(jié)果更新到模型中完成新結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)。

圖8 副車架尺寸優(yōu)化

3 新結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

按照相同的建模標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算工況對一體壓鑄式副車架進(jìn)行全面分析， 將分析結(jié)果與拼焊式副車架進(jìn)行對比以確保新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.1 一體壓鑄式副車架強(qiáng)度分析及對比

新結(jié)構(gòu)4 個(gè)包絡(luò)強(qiáng)度工況如圖9 所示， 將計(jì)算結(jié)果與拼焊式副車架進(jìn)行比對如表5 所示。 從計(jì)算結(jié)果可以看出，一體壓鑄式副車架最大應(yīng)力（工況4）降低了153.2MPa，強(qiáng)度提升了48.1%。

表5 一體壓鑄式副車架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖9 一體壓鑄式副車架應(yīng)力云圖

3.2 一體壓鑄式副車架剛度和模態(tài)分析及對比

一體壓鑄式副車架模態(tài)分析結(jié)果如圖10 所示，將模態(tài)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)到表6 中。 從模態(tài)分析結(jié)果的對比可以看出，一體壓鑄式副車架一階模態(tài)提升了16.5%。 各接附點(diǎn)的剛度分析結(jié)果及對比如表7 所示， 從分析結(jié)果可以看出各接附點(diǎn)的剛度也實(shí)現(xiàn)了不同程度提升。

表6 一體壓鑄式副車架前3 階模態(tài)及對比

表7 一體壓鑄式副車架剛度及對比

圖10 新副車架模態(tài)云圖

3.3 新結(jié)構(gòu)動剛度分析及對比

新結(jié)構(gòu)動剛度分析的結(jié)果如圖11 所示，將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)到表8 中并與基礎(chǔ)模型進(jìn)行對比。經(jīng)對比可以看出，新結(jié)構(gòu)的動剛度有不同程度的提升， 其中擺臂2 接附點(diǎn)提升達(dá)到了3.2 倍。

表8 一體壓鑄式副車架動剛度及對比

圖11 一體壓鑄式副車架動剛度

3.4 重量及成本對比

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的副車架進(jìn)一步就連接工藝進(jìn)行優(yōu)化，將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)成本及重量結(jié)果統(tǒng)計(jì)到表9 和表10 中。 通過對拼焊式副車架和一體壓鑄式副車架全面分析對比可以看出，一體壓鑄式副車架具有全面的重量和成本優(yōu)勢。 一體壓鑄式副車架重量相較于拼焊式副車架降低2.03kg， 降低了16.3%； 成本降低了41.62 元， 降低了8.6%。

表9 拼焊式副車架重量及成本核算

表10 一體壓鑄式副車架重量及成本核算

4 結(jié)論

（1）副車架性能提升。 在副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)中，引入了參數(shù)化優(yōu)化方法。 通過優(yōu)化副車架加強(qiáng)筋及外輪廓的厚度，成功提高了副車架的剛度、動剛度和模態(tài)。 副車架動剛度的提升可以有效減少車身的扭曲變形， 提升了行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。從本文的優(yōu)化中可以看出，輕量化的同時(shí)也具備性能提升的可能性， 因此更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提升副車架性價(jià)比的重要途徑。

（2）副車架結(jié)構(gòu)輕量化。 通過拓?fù)鋬?yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了副車架的輕量化設(shè)計(jì)。 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，在滿足剛度、強(qiáng)度、動剛度和模態(tài)等性能的前提下新設(shè)計(jì)的副車架重量減少了16.3%。將結(jié)構(gòu)、工藝和材料三大輕量化方法進(jìn)行了全面應(yīng)用，形成了一套完整的輕量化技術(shù)路線以供同行業(yè)進(jìn)行參考。

（3）副車架工藝輕量化及降本。將拼焊式副車架改為一體壓鑄式副車架，大大減少了加工工序，無焊合的結(jié)構(gòu)形式提升了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。通過進(jìn)一步優(yōu)化連接方式，新副車架實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步降本。

副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代汽車工程領(lǐng)域的重要課題之一。通過拓?fù)鋬?yōu)化、材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方法的綜合應(yīng)用，可以有效提高副車架的結(jié)構(gòu)性能，并滿足汽車制造業(yè)對于輕量化、安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。 未來，隨著科技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步， 副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)將在汽車工程中扮演更加重要的角色，為實(shí)現(xiàn)智能、綠色和可持續(xù)發(fā)展的汽車制造做出貢獻(xiàn)。