一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法

摘要

本发明公开了一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，首先运用试验与模拟结合的方法完成了对标车型下控制臂的载荷提取及性能分析，在结构优化的前期应用拓扑优化手段，大幅减少不必要的材料而迅速给出设计的概念性方案，但所得到的结构轮廓较模糊，形状不规则不易于加工，有必要对其优化结果进行几何修整，然而修整后的结构会或多或少地偏离最优结构，所以需要应用形貌优化、尺寸优化、形状优化、自由形状优化等手段继续优化结构细节，以得到最优结果。最后通过对设计前后下控制臂的性能分析比较，证明了运用本设计方法可以高效经济地完成单板冲压下控制臂的轻量化优化设计。

说明书

技术领域

本发明属于汽车设计领域，特别涉及一种单板冲压下控制臂的轻量化优化 设计方法。

背景技术

下控制臂作为汽车悬架系统的导向和传力元件，它起着传递车架和车轮之 间的一切力和力矩，缓和路面冲击，衰减振动等作用。它是底盘系统的重要安 全件，在设计中要求强度高、可靠性好。单板冲压件下控制臂较铸造或焊接下 控制臂具有质量轻、焊缝少、加工方便等优点，在汽车领域的应用越来越广泛。 有限元性能分析和结构优化设计方法在汽车设计领域的应用已很成熟。

发明内容

本发明旨在提供一种汽车单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，该方 法有设计周期短，节约开发成本，可操作性强等特点，为单板冲压下控制臂轻 量化优化设计提供了一种完整的通用的设计流程。

本发明采用以下方案实现：

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，首先进行对标车型下控制 臂的载荷提取并通过有限元分析方法对其进行性能分析，然后以对标车各项性 能为性能约束指标优化设计出满足要求的单板冲压下控制臂，对优化结果进行 几何修整，得到最终设计结果；具体包括以下步骤：

步骤一、提取对标车下控制臂连接点处的典型工况载荷及疲劳载荷时间历 程；

步骤二、运用有限元方法分析对标车型下控制臂的振动特性、刚度、强度、 疲劳性能，将分析获得的性能结果作为控制臂后续结构优化设计过程的性能指 标约束；

步骤三、在对标车下控制臂性能指标约束下，在下控制臂设计空间内进行 拓扑优化，得到待设计控制臂材料的最优分布形式；

步骤四、将步骤三的结构优化结果修整成可冲压加工的结构形状；

步骤五、在对标车下控制臂性能指标约束下，综合应用尺寸优化和形貌优 化方法对步骤四所得结构优化设计，以确定控制臂的最佳厚度及最佳加强筋位 置形状，修整结构；

步骤六、在对标车下控制臂性能指标约束下，综合应用形状优化和自由形 状优化方法对步骤五所得结构优化设计，以改善控制臂圆弧处应力分布和确定 翻边的长度，修整结构后进行有限元性能分析，与对标车型下控制臂性能对比， 得到最终设计结果；

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，所述步骤一的具体过程如 下：

1.1)根据对标车型的悬架性能参数建立其多体动力学模型；

1.2)将典型工况下的轮胎接地力输入悬架多体动力学模型，获得下控制臂 连接点处典型工况静载荷；

1.3)将对标车实车道路试验获得轮心六分力信号输入悬架多体动力学模 型，获得下控制臂连接点处的疲劳载荷时间历程。

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，所述步骤二的具体过程如 下：

2.1)对对标车几何模型进行网格划分，设定材料属性参数，建立有限元模 型；

2.2)将下控制臂连接点处典型工况静载荷输入步骤2.1)所建有限元模型， 分析得到对标车下控制臂的刚度、强度；

2.3)将下控制臂连接点处的疲劳载荷时间历程输入步骤2.1)所建有限元 模型，分析得到对标车下控制臂的疲劳性能；

2.4)在步骤2.1)所建有限元模型中设置特征值提取卡片，进行元自由模 态分析，得到对标车下控制臂的振动特性；

2.5)将以上有限元分析获得的性能结果作为待设计下控制臂的性能指标约 束。

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，所述步骤三的具体过程如 下：

3.1)在对标车下控制臂不与悬架其他构件发生干涉的区域内，确定待设计 下控制臂设计空间后建立有限元模型；

3.2)对步骤3.1)建立的有限元模型施加工艺约束，在各性能指标的约束 下，以质量最轻为目标，以单元密度为设计变量，对下控制臂进行拓扑优化， 得到待设计下控制臂材料的最优分布形式。

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，所述步骤五的具体过程如 下：

在对标车下控制臂性能指标约束下，以质量最轻为目标，以下控制臂厚度、 下控制臂主体形状扰动为设计变量，综合应用尺寸优化和形貌优化方法对所述 步骤四所得结构优化设计，以确定下控制臂的最佳厚度及最佳加强筋位置形状， 对本步骤优化结果重复所述步骤四操作，修整结构。

一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法，所述步骤六的具体过程如 下：

在对标车下控制臂性能指标约束下，以质量最轻为目标，以危险部位的弧 度变化量、翻边处形状变化扰动为设计变量，综合应用形状优化和自由形状优 化方法对所述步骤五所得结构优化设计，以改善下控制臂圆弧处应力分布和确 定翻边的长度，对优化结果重复所述步骤四操作后进行有限元性能分析，与对 标车型下控制臂性能对比，得到最终设计结果。

本发明提供了一种试验与模拟分析结合的单板冲压下控制臂轻量化优化设 计方法，首先运用试验与模拟结合的方法完成了对标车型下控制臂的载荷提取 及性能分析。在结构优化的前期应用拓扑优化手段，大幅减少不必要的材料而 迅速给出设计的概念性方案。但所得到的结构轮廓较模糊，形状不规则不易于 加工，有必要对其优化结果进行几何修整。然而修整后的结构会或多或少地偏 离最优结构，所以需要应用形貌优化、尺寸优化、形状优化、自由形状优化等 手段继续优化结构细节，以得到最优结果。最后通过对设计前后下控制臂的性 能分析比较，证明了运用本设计方法可以高效经济地完成单板冲压下控制臂的 轻量化优化设计。

附图说明

图1为本发明单板冲压下控制臂设计方法流程图

图2为对标车型下控制臂的载荷提取及性能分析流程图

图3为待优化下控制臂设计空间俯视轴测示意图

图4为待优化下控制臂设计空间仰视轴测示意图

图5为下控制臂轻量化优化设计最终结果俯视轴测示意图

图6为下控制臂轻量化优化设计最终结果仰视轴测示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例说明本发明的技术方案。

如图1所示为本发明的整体流程图，一种单板冲压下控制臂的轻量化优化 设计方法，首先进行对标车型下控制臂的载荷提取并通过有限元分析方法对其 进行性能分析，如图2所示；然后以对标车各项性能为性能约束指标优化设计 出满足要求的单板冲压下控制臂，对优化结果进行几何修整，得到最终设计结 果。

本实施例单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法的具体步骤如下：

步骤一、得到对标车下控制臂连接点处的典型工况载荷及疲劳载荷时间历 程：

1.1)根据对标车型的悬架性能参数，运用Adams软件建立其多体动力学模 型；

1.2)根据动载系数经验值计算出对标车型在前进加速、前进制动、倒车制 动、稳态左转、稳态右转工况下的轮胎接地力，将接地力输入悬架多体动力学 模型，提取对标车型下控制臂3个连接点处典型工况静载荷；

1.3)将对标车实车道路试验获得轮心六分力信号输入悬架多体动力学模型， 提取对标车型下控制臂3个连接点处的疲劳载荷时间历程。

步骤二、运用有限元方法分析对标车型下控制臂的振动特性、刚度、强度、 疲劳性能，将分析获得的性能结果作为下控制臂后续结构优化设计过程的性能 指标约束：

2.1)在Hypermesh软件中用一阶2D单元对对标车型下控制臂几何模型进 行网格划分，用刚性单元RBE2(刚性连接单元)模拟球铰和衬套处的连接，设 定其密度、弹性模量、泊松比及厚度等参数，建立有限元模型；

2.2)将下控制臂连接点处典型工况静载荷作为载荷边界条件输入步骤2.1) 所建有限元模型，运用惯性释放原理，利用Radioss求解器得到对标车下控制臂 的刚度、强度；

2.3)下控制臂接触点处的疲劳载荷时间历程输入步骤2.1)所建有限元模型， 运用Hypermesh软件(网格划分软件)的Fatigue process功能(疲劳分析模块) 建立疲劳分析工况，利用Radioss求解器(有限元分析求解器)分析得到对标车 下控制臂的各点处的疲劳寿命及疲劳损伤值；

2.4)在步骤2.1)所建有限元模型中设置特征值提取卡片(EIGRL)，进行 元自由模态分析，得到对标车下控制臂的前6阶弹性体模态的振型及固有频率；

2.5)将以上有限元分析获得的性能结果作为待设计下控制臂的性能指标约 束。

步骤三、在对标车下控制臂性能指标约束下，在下控制臂设计空间(如图3、 图4所示)内进行拓扑优化，得到待设计控制臂材料的最优分布形式：

3.1)用六面体实体单元对对标车型下控制臂不与悬架其他构件发生干涉的 空间建立有限元模型。其中衬套、球铰区域作为非设计空间，并保持其硬点坐 标不变，除此之外的区域作为设计空间；

3.2)在Hypermesh软件中对步骤3.1)建立的有限元模型施加向下拔模的工 艺约束，利用结构优化求解器OptiStruct(有限元结构优化求解器)在刚度、强 度、疲劳性能、振动性能约束下，以质量最轻为目标，以单元密度为设计变量， 对下控制臂进行拓扑优化，得到待设计下控制臂材料的最优分布形式。

步骤四、将步骤三的结构优化结果修整成可冲压加工的结构形状：

运用Catia软件将步骤三的优化结果简化修整成规则且可冲压加工的结构形 状；

步骤五、在对标车下控制臂性能指标约束下，综合应用尺寸优化和形貌优 化方法对步骤四所得结构优化设计，以确定控制臂的最佳厚度及最佳加强筋位 置形状，修整结构：

在对标车下控制臂性能指标约束下，利用结构优化求解器OptiStruct，在刚 度、强度、疲劳性能、振动性能约束下，以质量最轻为目标，以下控制臂厚度、 下控制臂主体形状扰动为设计变量，综合应用尺寸优化和形貌优化方法对步骤 四所得结构优化设计，以确定下控制臂的最佳厚度及最佳加强筋位置形状，对 本步骤优化结果重复所述步骤四的操作，修整结构。

步骤六、在对标车下控制臂性能指标约束下，综合应用形状优化和自由形 状优化方法对步骤五所得结构优化设计，以改善控制臂圆弧处应力分布和确定 翻边的长度，修整结构后进行有限元性能分析，与对标车型下控制臂性能对比， 得到最终设计结果：

在对标车下控制臂性能指标约束下，利用结构优化求解器OptiStruct，在刚 度、强度、疲劳性能、振动性能约束下，以质量最轻为目标，以危险部位的弧 度变化量、翻边处形状变化扰动为设计变量，综合应用形状优化和自由形状优 化方法对所述步骤五所得结构优化设计，以改善下控制臂圆弧处应力分布和确 定翻边的长度，对本步骤优化结果重复所述步骤四操作后进行有限元性能分析， 与对标车型下控制臂性能对比，得到最终设计结果(如图5、图6所示)。

本设计方法不局限于一种车型冲压下控制臂的轻量化优化设计，也不是简 单地在对标车型下控制臂基础上基于经验的简单修改。而是充分考虑了设计空 间、使用性能、加工工艺等要求，针对冲压下控制臂的完整的通用的轻量化优 化设计方法。