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汽車扭轉(zhuǎn)梁常用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2019-12-09 22:58:12·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  作者：許諾  
　
扭轉(zhuǎn)梁是一種汽車非獨立懸架，普遍應(yīng)用在A0、A、A+級轎車及A0級SUV上，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，成本相對較低的優(yōu)點。扭轉(zhuǎn)梁能夠通過自身橫梁扭轉(zhuǎn)有效降低整車側(cè)
扭轉(zhuǎn)梁是一種汽車非獨立懸架，普遍應(yīng)用在A0、A、A+級轎車及A0級SUV上，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，成本相對較低的優(yōu)點。扭轉(zhuǎn)梁能夠通過自身橫梁扭轉(zhuǎn)有效降低整車側(cè)傾，不同軸荷車型因整車操作穩(wěn)定性，對扭梁具備不同的剛度要求。扭轉(zhuǎn)剛度過高，舒適性較差；扭轉(zhuǎn)剛度較低，車身側(cè)傾嚴(yán)重。
扭轉(zhuǎn)梁按照橫梁結(jié)構(gòu)可分為開口梁和閉口梁兩種。開口梁為橫梁單片結(jié)構(gòu)，工藝為冷沖壓工藝；閉口梁為橫梁封閉結(jié)構(gòu)，成形較為復(fù)雜，一般選擇液壓成形工藝。扭轉(zhuǎn)梁選擇開口梁多用于低軸荷車型上，扭梁在橫梁厚度較小時即可提供足夠的扭轉(zhuǎn)剛度滿足側(cè)傾剛度的要求。扭轉(zhuǎn)梁選擇閉口梁多用于高軸荷車型，扭梁需要封閉橫梁提供較大的扭轉(zhuǎn)剛度，以滿足側(cè)傾剛度的要求。扭轉(zhuǎn)梁常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法主要有拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化及形貌優(yōu)化三種。
 
1 拓?fù)鋬?yōu)化
 拓?fù)鋬?yōu)化是一種在早期確定扭轉(zhuǎn)梁最優(yōu)傳力路徑的方法?？梢砸詣偠群蛻?yīng)力作為邊界條件，以質(zhì)量為目標(biāo)，在現(xiàn)有的布置空間中進(jìn)行材料密度分布最優(yōu)化。早期在有初步硬點的情況下，可以以此作為先期開發(fā)指導(dǎo)。如圖1為一種拓?fù)鋬?yōu)化后的密度分布，可以初步確定橫梁和縱臂的相對位置，同時高度方向密度分布給橫梁走向提供方向，可以作為CAD概念設(shè)計方向參考。
圖1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及解讀數(shù)模
 2 參數(shù)化優(yōu)化
 參數(shù)化優(yōu)化是指通過對扭轉(zhuǎn)梁關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定參設(shè)計，同時集成SFE、Nastran、Abaqus等模塊，基于ISIGHT做多目標(biāo)優(yōu)化方法，筆者通過3年的技術(shù)積累，在參數(shù)化方面獲得了一定技術(shù)經(jīng)驗。如圖2所示開口梁參數(shù)化模型，可實現(xiàn)形狀一定范圍內(nèi)快速變化。
圖2 參數(shù)化模型
如圖3所示，開口梁參數(shù)化變量主要包括外闊尺寸、形狀變量、尺寸變量。這些變量共同決定了橫梁應(yīng)力的趨勢及剛度大小。尺寸變量包括橫梁和縱臂厚度，橫梁厚度直接影響扭梁剛度及耐久性能；而縱臂厚度直接影響濫用性能。
圖3 截面選取定義
DOE設(shè)計方法選擇優(yōu)化拉丁方超立方法。拉丁方試驗設(shè)計將因素按水平豎排一個隨機(jī)矩陣，即拉丁方矩陣，在同一列中任何因素的水平均無重復(fù)。如圖4所示，優(yōu)化拉丁方試驗設(shè)計方法采用正交性較好的初始解，綜合考慮拉丁方矩陣的正交性和均勻性。
圖4 優(yōu)化拉丁超立方方法
分別對形狀變量及尺寸變量按照優(yōu)化超拉丁采樣試驗求得最優(yōu)解。優(yōu)化工況為剛度要、耐久、濫用變形性能要求，優(yōu)化目標(biāo)為質(zhì)量最小。優(yōu)化方法如下：
      
3 形貌優(yōu)化
形貌優(yōu)化是通過節(jié)點的移動來改變結(jié)構(gòu)形狀，進(jìn)而定義形狀設(shè)計變量，通常適合在傳力路徑和形狀分布確定后進(jìn)行細(xì)致設(shè)計，可以作為拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化優(yōu)化的補(bǔ)充。對封閉梁橫梁優(yōu)化時，可以通過以單元的法向作為節(jié)點移動的方向，對橫梁內(nèi)凹面位置進(jìn)行優(yōu)化；對開口梁優(yōu)化時，可以通過形貌優(yōu)化對加強(qiáng)板加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化。
 
4 總結(jié)
扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三種方法拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化、形貌優(yōu)化，適合于不同的階段。早期通過拓?fù)鋬?yōu)化對傳力路徑優(yōu)化作為概念設(shè)計的指導(dǎo)參考；CAD數(shù)據(jù)成熟后，可以通過參數(shù)化優(yōu)化對剛度、耐久進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化；最后可以通過形貌優(yōu)化對部分局部特征、加強(qiáng)筋進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化。
 
 
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