专利名称：一种汽车控制臂的设计方法
技术领域：
本发明涉及汽车设计技术领域，特别涉及一种汽车控制臂的设计方法。
背景技术：
悬架系统是汽车上的重要組成部分，对汽车行驶的平顺性及操稳性有重要的影响。其中，控制臂(也称摆臂)是悬架系统的导向和传カ元件，它将作用在车轮上的各种 カ传递到给车身，同时保证车轮按照一定的轨迹运动。控制臂通过球铰或者衬套将车轮及车身连接在一起，由于控制臂的连接方式应该保证其有足够的刚度、強度及可用寿命，相应地，控制臂的刚度、強度及可用寿命等作为其设计时的主要性能要求。现有技术中，控制臂的设计是在对标车或平台车的原有控制臂的基础上，根据设计经验(如成型エ艺)和性能要求(如刚度、強度及可用寿命等要求)对对标车或平台车的原有控制臂进行结构或材料布局上的模仿，通过反复的试验验证及修改得到满足设计要求的新控制臂。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下缺点1、如果作为设计基础的对标车或平台车的控制臂设计不合理，相应地会导致后续的设计不合理，从而导致设计的控制臂不满足设计要求；2、新开发车型与对标车或平台车无论在重量还是在动力学性能等方面不可能完全相同，所以根据对标车或平台车的控制臂进行模仿开发即使能够满足对标车或平台车的性能要求，也并不能保证该控制臂能够满足新开发车型的性能要求；3、现有技术中进行反复的实验验证和修改会花费大量的时间和工作量，开发成本高，而现在的汽车行业竞争非常激烈，控制设计周期和设计成本对汽车エ业来说是非常重要的。
发明内容
为了提供ー种不需要基于对标车或平台车的原有控制臂进行模仿的控制臂设计方法，该设计方法减少了设计周期和设计成本。本发明实施例提供了ー种汽车控制臂的设计方法。所述技术方案如下一种汽车控制臂的设计方法，所述方法包括根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与所述开发车型的动カ 学仿真分析得到关键受カエ况；建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型；根据所述关键受カエ况和预定的性能要求对所述有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图；根据所述控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型；根据所述控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型；根据所述满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计。
其中，所述根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与所述开发车型的动力学仿真分析得到关键受力工况，具体包括确定所述开发车型的对标车或平台车；获取所述对标车或平台车的路谱信息，根据所述路谱信息得到整车的路谱载荷；获取所述控制臂处的路谱载荷，根据所述控制臂处的路谱载荷得到控制臂上的每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷；对所述每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷进行筛选，得到路谱载荷受力工况；对所述开发车型进行动力学仿真分析得到所述开发车型在制动、驱动、垂直跳动、 转向状态下控制臂处的受力载荷，进而得到动力学分析受力工况；根据所述路谱载荷受力工况与所述动力学分析受力工况得到所述关键受力工况。其中，所述建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型，具体包括通过CAE/Hypermesh建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型。其中，所述根据所述关键受力工况和预定的性能要求对所述有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图，具体包括通过CAE/Hypermesh的优化模块，根据所述关键受力工况及所述预定的性能要求，在所述有限元体网格包络模型中定义设计变量、响应、优化约束及优化目标，设定拓扑优化参数进行优化分析计算；应用CAE/HyperMesh的后处理功能对优化分析计算的结果进行光顺化处理及显示模式的调整，得到所述控制臂材料分布图。其中，所述根据所述控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型，具体包括将所述控制臂材料分布图转化为CATIA可读取的IGES模型，并将所述IGES模型数据导入CATIA，根据成型工艺及控制臂设计的设计要求进行概念设计得到所述控制臂几何模型。其中，所述根据所述控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型，具体包括将所述控制臂几何模型数据导入CAE/Hypermesh生成第一有限元模型，在所述关键受力工况下根据所述预定的性能要求和成型工艺要求对所述第一有限元模型进行验证， 并得到第一验证结果；在所述关键受力工况下根据所述第一验证结果和所述预定的性能要求通过形状、 拓扑、尺寸优化方法对所述第一有限元模型进行优化，得到所述满足设计要求的有限元模型。其中，所述根据所述满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计，具体包括根据所述满足设计要求的有限元模型通过CATIA进行结构设计得到所述最终设计。进一步地，所述方法还包括对所述最终设计进行验证与优化得到满足设计要求的最优设计，具体包括
根据所述最终设计生成第二有限元模型，在所述关键受カエ况下根据所述预定的性能要求和成型エ艺要求对所述第二有限元模型进行验证，并得到第二验证结果；在所述关键受カエ况下根据所述第二验证结果和所述预定的性能要求对所述最终设计进行优化得到所述满足设计要求的最优设计。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过路谱载荷和动力学仿真分析得到关键受カエ况，根据该关键受カエ况结合控制臂模态、刚度、疲劳寿命等性能要求通过有限元软件进行优化分析，得到控制臂材料分布图，在此基础上进行控制臂的概念设计， 概念设计后通过进一歩地进行结构的详细设计得到满足设计要求的汽车控制臂设计，即通过CAE仿真得到满足设计要求的汽车控制臂，有效地缩短了控制臂的开发周期，降低了研发费用。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例一提供的汽车控制臂的设计方法流程图；图2是本发明实施例ニ提供的汽车控制臂的设计方法流程图；图3是本发明实施例ニ提供的步骤201的具体流程图；图4是本发明实施例ニ提供的步骤203的具体流程图；图5是本发明实施例ニ提供的步骤204的具体流程图；图6是本发明实施例ニ提供的步骤205的具体流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进ー步地详细描述。实施例一本实施例提供了一种汽车控制臂的设计方法，參见图1，该方法流程具体如下101 根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与该开发车型的动力学仿真分析得到关键受カエ况；102 建立开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型；103:根据步骤101得到的关键受カエ况和预定的性能要求对步骤102建立的有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图；104 根据步骤103中得到的控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型；105 根据步骤104中得到的控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型；106 根据步骤105中得到的满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计。本实施例提供的方法，通过路谱载荷和动力学仿真分析得到关键受カエ况，根据该关键受力工况结合控制臂模态、刚度、疲劳寿命等性能要求通过有限元软件进行优化分析，得到控制臂材料分布图，在此基础上进行控制臂的概念设计，概念设计后通过进一步地进行结构的详细设计得到满足设计要求的汽车控制臂设计，即通过CAE仿真得到满足设计要求的汽车控制臂，有效地缩短了控制臂的开发周期，降低了研发费用。为了更加详细地阐述本实施例提供的方法，结合上述内容，接下来将通过如下实施例二的内容，对本实施例提供的方法进行详细说明，详见如下实施例二实施例二本实施例提供了一种汽车控制臂的设计方法，参见图2，本实施例提供的方法流程具体如下201 根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与该开发车型的动力学仿真分析得到关键受力工况；其中，参见图3，步骤201的具体流程如下2011 确定开发车型的对标车或平台车，并定义该开发车型的悬架系统性能参数， 如模态、刚度、操稳性能等，并将性能分解至底盘零部件，如分解到控制臂处；2012:获取该开发车型的对标车或平台车的路谱信息，根据路谱信息得到整车的路谱载荷，如对该开发车型的对标车或平台车进行路试试验，采集路试试验中的路谱信息；2013 对步骤2012中得到的整车的路谱载荷进行处理，得到可以用于分析计算的路谱载荷信息，提取控制臂处的路谱载荷，根据控制臂处的路谱载荷进一步得到控制臂上的每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷；2014 对步骤2013中得到的每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷进行筛选，得到路谱载荷受力工况，其中，这里的路谱载荷受力工况为本领域内默认的，如各单向载荷最大对应时刻的工况和疲劳分析中损伤最大所对应的复合工况。由于前述路谱载荷是经过处理后得到的控制臂处的路谱载荷，可能不足以保证包含所有的路谱载荷受力工况，如非常规操作所带来的过大应力等，相应地，可以通过各公司根据开发车型的性能要求设定的不同路谱载荷受力工况下的安全系数对路谱载荷受力工况进行修正；2015:对开发车型进行动力学仿真分析得到该开发车型在制动、驱动、垂直跳动、转向等状态下控制臂处的受力载荷，进而得到动力学分析受力工况；具体地，通过 Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，机械系统动力学自动分析) 等动力学分析软件建立开发车型的悬架系统的动力学模型，并通过对开发车型的悬架系统的动力学模型进行分析得到开发车型在制动、驱动、垂直跳动、转向等状态下控制臂的受力载荷，进而得到动力学分析受力工况；2016 根据步骤2014得到的路谱载荷受力工况与步骤2015得到的动力学分析受力工况得到关键受力工况，如将路谱载荷受力工况与动力学分析受力工况一起作为后续控制臂分析的关键受力工况。其中，本发明实施例中并不限定步骤2011 2014与步骤2015的顺序。202 建立开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型；具体地，定义开发车型的控制臂的设计空间及控制臂安装硬点位置，根据发车型的控制臂的设计空间通过CAE/HypermeSh(CAE应用软件包)生成有限元体网格包络模型。203:根据步骤201得到的关键受力工况及预定的性能要求对步骤202中创建的有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图，其中预定的性能要求为设计人员根据性能要求预先定义的控制臂的模态、刚度、強度和疲劳寿命等性能參数；其中，參见图4，步骤203的具体流程如下2031 通过CAE/Hypermesh的优化模块(Hypermesh中的一个模块)，将步骤201得到的关键受カエ况导入步骤202建立的有限元体网格包络模型；根据该关键受カエ况结合预定的模态、刚度、疲劳寿命等性能要求，在有限元体网格包络模型中定义设计变量、响应、 优化约束及优化目标，设定拓扑优化參数进行优化分析计算；2032 应用CAE/HyperMesh的后处理功能(Hypermesh的主要功能之一)对步骤 2031优化分析计算的结果进行光順化处理及显示模式的调整，得到控制臂材料分布图。204 根据步骤203得到的控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型； 其中，參见图5，步骤204的具体流程如下2041 将步骤203得到控制臂材料分布图转化为为CATIA可读取的IGES等模型， 将IGES等模型数据导入CATIA，其中，CATIA为常见的エ业设计软件，提供了完备的设计能力，支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部エ业设计流程，即从产品的概念设计到最终产品的形成；2042 在CATIA中，根据成型エ艺等设计经验及各公司对控制臂设计的相关设计要求对控制臂的拓扑布置进行概念设计，生成控制臂几何模型。205 根据步骤204中得到的控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型，具体地，将步骤204得到的控制臂几何模型转换为有限元模型并进行验证，根据验证结果对转换得到的有限元模型进行优化得到满足设计要求的有限元模型。參见图6，步骤205的具体流程如下2051 将步骤204得到的控制臂几何模型数据导入CAE/Hypermesh生成第一有限元模型，在步骤201得到的关键受カエ况下根据预定的模态、刚度、疲劳寿命等性能要求和成型エ艺要求对该第一有限元模型进行验证，得到第一验证結果，如性能余量，其中，性能余量表示验证得到的性能參数与预定的性能要求的偏移量，根据性能余量可以对模型进行调整，以使该模型满足性能要求。2052 在步骤201得到的关键受カエ况下根据步骤2051得到的第一验证结果和预定的模态、刚度、疲劳寿命等性能要求通过形状、拓扑、尺寸等优化方法对步骤2051生成的第一有限元模型进行优化，得到满足设计要求的有限元模型，即得到满足预定的性能要求和成型エ艺要求的最佳控制臂有限元模型。206 对步骤205得到的满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计；具体地，根据步骤205得到的满足设计要求的有限元模型通过CATIA进行结构的详细设计得到最终设计。207 对步骤206得到的最终设计进行验证与优化得到满足设计要求的最优设计；具体地，将步骤206得到的最终设计数据导入CAE/Hypermesh生成第二有限元模型，在步骤201得到的关键受カエ况下根据预定的模态、刚度、疲劳寿命等性能要求和成型 エ艺要求对该第二有限元模型进行验证(如进行CAE仿真分析和成型エ艺分析验证)，得到第二验证結果，如果验证合格，则该最终设计为最优设计；如果不满足设计要求(包括验证得到的性能參数小于预定要求和大于预定要求，其中小于预定要求则表示该设计还需要进一步优化，大于预定要求表示模型还有减重空间，即控制臂有多余的材料，结构不够精简， 同样需要进一步地优化)，则在关键受力工况下根据该第二验证结果和预定的性能要求对该最终设计进行优化得到满足设计要求的最优设计，如对该最终设计的局部进行进一步地结构的详细设计，再将进一步地结构的详细设计的结果转化为有限元模型进行验证，反复的通过有限元模型的验证结果对最终设计进行优化以得到满足预定的性能要求和成型工艺要求的最优设计。208 根据步骤207得到的最优设计得到可批量生产的汽车控制臂产品。其中，本发明实施例中并不限定步骤201和步骤202的顺序，可以先执行步骤202 再执行步骤201，或步骤201和步骤202同时执行。其中，前述的拓扑优化、性能验证、结构设计及优化等涉及CAE软件和CATIA软件的具体操作，操作过程为本领域所熟知，本发明实施例省略详细描述。其中，本发明实施例中的第一与第二并不具备特殊含义，只简单起区分作用。本实施例提供的方法，通过路谱载荷和动力学仿真分析得到关键受力工况，根据该关键受力工况结合控制臂模态、刚度、疲劳寿命等性能要求通过有限元软件进行优化分析，得到控制臂材料分布图，在此基础上进行控制臂的概念设计，概念设计后通过进一步地进行结构的详细设计得到满足设计要求的汽车控制臂设计，即通过CAE仿真得到满足设计要求的汽车控制臂，有效地缩短了控制臂的开发周期，降低了研发费用。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种汽车控制臂的设计方法，其特征在干，所述方法包括根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与所述开发车型的动力学仿真分析得到关键受カエ况；建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型；根据所述关键受カエ况和预定的性能要求对所述有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图；根据所述控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型； 根据所述控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型； 根据所述满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，所述根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与所述开发车型的动力学仿真分析得到关键受カエ况，具体包括确定所述开发车型的对标车或平台车；获取所述对标车或平台车的路谱信息，根据所述路谱信息得到整车的路谱载荷； 获取所述控制臂处的路谱载荷，根据所述控制臂处的路谱载荷得到控制臂上的每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷；对所述每个受力点在路谱中各时刻所对应的所有力与力矩载荷进行筛选，得到路谱载荷受カエ况；对所述开发车型进行动力学仿真分析得到所述开发车型在制动、驱动、垂直跳动、转向状态下控制臂处的受カ载荷，进而得到动力学分析受カエ况；根据所述路谱载荷受カエ况与所述动力学分析受カエ况得到所述关键受カエ况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，所述建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型，具体包括通过CAE/Hypermesh建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，所述根据所述关键受カエ况和预定的性能要求对所述有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图，具体包括通过CAE/Hypermesh的优化模块，根据所述关键受カエ况及所述预定的性能要求，在所述有限元体网格包络模型中定义设计变量、响应、优化约束及优化目标，设定拓扑优化參数进行优化分析计算；应用CAE/HyperMesh的后处理功能对优化分析计算的结果进行光順化处理及显示模式的调整，得到所述控制臂材料分布图。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，所述根据所述控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型，具体包括将所述控制臂材料分布图转化为CATIA可读取的IGES模型，并将所述IGES模型数据导入CATIA，根据成型エ艺及控制臂设计的设计要求进行概念设计得到所述控制臂几何模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，所述根据所述控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型，具体包括将所述控制臂几何模型数据导入CAE/Hypermesh生成第一有限元模型，在所述关键受力工况下根据所述预定的性能要求和成型工艺要求对所述第一有限元模型进行验证，并得到第一验证结果；在所述关键受力工况下根据所述第一验证结果和所述预定的性能要求通过形状、拓扑、尺寸优化方法对所述第一有限元模型进行优化，得到所述满足设计要求的有限元模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计，具体包括根据所述满足设计要求的有限元模型通过CATIA进行结构设计得到所述最终设计。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述最终设计进行验证与优化得到满足设计要求的最优设计，具体包括根据所述最终设计生成第二有限元模型，在所述关键受力工况下根据所述预定的性能要求和成型工艺要求对所述第二有限元模型进行验证，并得到第二验证结果；在所述关键受力工况下根据所述第二验证结果和所述预定的性能要求对所述最终设计进行优化得到所述满足设计要求的最优设计。
全文摘要
本发明公开了一种汽车控制臂的设计方法，属于汽车设计技术领域。方法包括根据开发车型的对标车或平台车的控制臂处的路谱载荷与所述开发车型的动力学仿真分析得到关键受力工况；建立所述开发车型的控制臂的有限元体网格包络模型；根据所述关键受力工况和预定的性能要求对所述有限元体网格包络模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果得到控制臂材料分布图；根据所述控制臂材料分布图进行概念设计得到控制臂几何模型；根据所述控制臂几何模型得到满足设计要求的有限元模型；根据所述满足设计要求的有限元模型进行结构设计得到最终设计。通过CAE仿真得到满足设计要求的汽车控制臂，有效地缩短了控制臂的开发周期，降低了研发费用。
文档编号G06F17/50GK102567581SQ20111043718
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者张林波, 王洪斌, 瞿元 申请人:奇瑞汽车股份有限公司