一种汽车悬架关键结构件优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车的数字化设计领域，尤其涉及一种汽车悬架关键结构件优化设计 方法。
【背景技术】
[0002] 汽车悬架系统决定和影响车辆行驶的平顺性，操控稳定性和乘坐舒适性。悬架系 统设计，尤其是关键结构件开发决定了悬架的整体性能、装配便利性及设计通用性，是衡量 底盘开发设计水平的重要依据，也是国内汽车研发制造厂商关注的重点领域。
[0003] 汽车悬架关键结构件开发需要满足空间、强度刚度、工艺及疲劳耐久性要求。目前 该开发工作主要依赖于"经验+反复试验"的方式，容易导致空间运动干涉、材料厚度盈余 等缺陷，无法达到高效设计与控制成本的要求。鉴于此，国内汽车研发制造厂商都开始探索 并逐步升级，建立动力学分析与有限元优化相结合的计算机辅助设计研发体系。通过将虚 拟设计与实物验证相结合，以缩短悬架关键结构件的开发周期和降低研发成本。虽取得了 一定的进展和成果，但鲜有严谨完整且切实可行的研发体系和成熟的开发流程，
[0004] 现有的一些汽车悬架关键结构件设计方法中，往往存在如下的缺点：
[0005] 均未给出拓扑优化初始设计域的确定方法，或者直接给出了开发结构件的初始几 何设计空间，或者直接表述为根据硬点布置和悬架空间要求设计得到，缺少明确的初始设 计域设计依据和确定方法。
[0006] 此外，现有的技术方案在开发思路和设计流程上，均没能形成标准化以及体系化 的开发流程与技术方法。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种汽车悬架关键结构件优化设计方法， 可以形成标准化以及体系化，并有效地缩短悬架关键结构件的开发周期和开发成本。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明实施例的一方面提供一种汽车悬架关键结构件优 化设计方法，包括如下步骤：
[0009] 根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统动力学模型，并结合行车工况 中不同工况的轴荷配比与零部件疲劳强度要求，获得典型工况下悬架结构件连接点的等效 载荷，所述典型工况至少包括转向工况，起步工况，制动工况，倒车制动；
[0010] 根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并根据所述 关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域；
[0011] 根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建立开 发结构件初始设计域的有限元分析模型，包括进行有限元前处理和载荷边界确定；
[0012] 在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材料分布 并确定开发结构件的基本拓扑构型；
[0013] 根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获得开发结构 件的概念设计模型；
[0014] 应用尺寸优化技术，获得所述开发结构件的概念设计模型的各参数最优方案以及 优化设计模型。
[0015] 其中，进一步包括预先确定悬架系统开发方案的步骤，包括：
[0016] 根据整车开发目标，确定悬架系统开发方案并设定关键结构件性能指标目标，其 中，所述悬架系统开发方案至少包括悬架形式，分析工况，零部件方案和动态运动间隙；所 述关键结构件至少包括转向节、控制臂和方向杆；所述性能目标至少包括结构件刚度强度、 模态和疲劳耐久性能。
[0017] 其中，所述根据预先确定的悬架系统开发方案，建立悬架系统机构运动学模型，并 根据所述关键结构件中的开发结构件的空间包络约束确定开发结构件的初始设计域的步 骤包括：
[0018] 根据所述悬架系统开发方案搭建悬架机构运动学模型，包括确定模型固定件与运 动件数量，依据零部件的连接关系确定相应的运动副约束和驱动方式，并校核所建立模型 能否满足运动学自由度校核公式；
[0019] 其中自由度校核公式如公式1所示。
[0020]
[0021] 式中：N为系统运动部件数，t为各运动副约束自由度数，Fd为系统驱动自由度 数；
[0022] 根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为运动参照， 输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束；
[0023] 并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域。
[0024] 其中，所述根据所建立的机构运动学模型开展悬架的运动校核，以开发结构件为 运动参照，输出其他零部件的相对运动包络，构成开发结构件的空间包络约束的步骤包 括：
[0025] 在在 CATIA(Computer Aided Three-Dimensional Interface Application,计算 机辅助3D界面应用）软件的DMU模块（Digital Mock-Up，电子样机）中，在完成悬架系统 DMU模型定义并驱动仿真的基础上，通过运动包络输出的功能，以开发结构件为运动参考输 出相关零部件的运动包络，获得其他零部件的相对运动包络；
[0026] 以开发结构件为固定零件，将所有悬架零部件的相对运动包络依次装配形成新的 装配模型，从而获得开发结构件的空间包络约束。
[0027] 其中，所述并根据所述开发结构件的空间包络约束确定有限元优化的初始设计域 的步骤包括：
[0028] 将所述开发结构件的空间包络约束与所述悬架系统开发方案中要求的悬架动态 运动间隙进行的叠加，即获得了满足悬架运动间隙要求下开发结构件的最大设计空间，而 两者的最小空间距离即等效为运动过程中的最小间隙，从而确定了有限元优化初始设计 域。
[0029] 其中，根据所述初始设计域以及所述典型工况下悬架结构件连接点的等效载荷建 立开发结构件初始设计域的有限元分析模型的步骤包括：
[0030] 以所获得的初始设计域作为开发结构件的几何空间进行有限元前处理，包括根据 材料参数和尺寸规格进行材料定义和网格划分；
[0031] 根据所述典型工况下悬架结构件连接点输入载荷边界。
[0032] 其中，在所述有限元分析模型的基础上，采用拓扑优化技术获得开发结构件的材 料分布并确定基本拓扑构型的步骤包括：
[0033] 在所述有限元分析模型基础上，基于变密度法进行开发结构件的拓扑优化设计， 获得开发结构件的材料分布并确定基本拓扑构型；
[0034] 其中，变密度法将单元材料密度作为设计变量在0~1之间连续变化，求解满足特 定约束条件下目标函数的最优解；其中目标函数为质量、体积或应变能；约束条件为结构 体积比、单元应力应变或材料屈服极限；变密度法的拓扑优化数学模型如公式2所示：
[0035]
[0036] 式中：P为单元材料密度，Cw(P)为优化目标（加权应变能），Q(P)为第i种工 况加权应变能，W1为第i种工况的权重因子，f( P )为优化响应函数,Cf cP分别为约 束条件上、下限，N为约束条件数量；
[0037] 根据拓扑优化结果，选取合适的密度阈值以确定拓扑构型，所述密度阈值取值范 围为0. 2~0. 3。
[0038] 其中，所述根据所获得的开发结构件基本拓扑构型，结合选定的成型工艺要求获 得开发结构件的概念设计模型的步骤包括：
[0039] 根据基本构型确定载荷传递路线和材料密度分布；
[0040] 根据成型工艺要求选择成型工艺以及装配关系，所述成型工艺包括铸造、锻造、冲 压；
[0041] 获得开发结构件概念设计模型。
[0042] 其中，所述应用尺寸优化技术，获得概念设计模型各参数最优方案及优化设计模 型的步骤包括：
[0043] 根据所述所获得的概念设计模型中的控制参数，通过应