專利名稱：汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助設(shè)計，特別是涉及一種汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件主要包括前、后副車架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、拖曳臂等，這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在提升轎車乘坐舒適性、底盤剛度強(qiáng)度和操控性的同時，也提高了裝配便利性及設(shè)計通用性，是當(dāng)前主流轎車底盤的重要組成部分。汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、剛度及強(qiáng)度對整車耐久性、舒適性、操控性有很大影響，是衡量轎車底盤設(shè)計水平的重要依據(jù)。目前的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件多采用板材沖壓焊接、液壓成型及鑄造成型等工藝形式。其中，沖壓成型的焊接件，焊接工藝復(fù)雜，且承載能力和強(qiáng)度都非常有限；而液壓成型件，承載能力 和強(qiáng)度比較高，質(zhì)量較輕，但是其制造工藝先進(jìn)程度較高，并不被國內(nèi)大多數(shù)制造廠商所掌握。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過近百年的發(fā)展已經(jīng)逐漸走向成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計者可以利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的辦法設(shè)計出安全可靠的結(jié)構(gòu)，使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)滿足各種不同的需求，并更有效率地使用材料。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中的前沿技術(shù)，通過調(diào)整設(shè)計域內(nèi)材料位置和數(shù)量的配置，使結(jié)構(gòu)在滿足一定需求條件的情況下將載荷通過最佳傳遞路徑傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐邊界處。在拓?fù)鋬?yōu)化中，剛度目標(biāo)通常用柔順性來表達(dá)，柔順性越低代表結(jié)構(gòu)的剛度越大，強(qiáng)度通常表現(xiàn)在優(yōu)化模型的約束中。雖然拓?fù)鋬?yōu)化對于結(jié)構(gòu)設(shè)計意義重大，但在現(xiàn)有技術(shù)中，尚沒有發(fā)現(xiàn)利用利用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的方法設(shè)計汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括步驟一，確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件性能指標(biāo)；步驟二，建立懸架多體模型，計算底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件各連接點載荷；步驟三，建立適合于底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的有限元初始設(shè)計域；步驟四，建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型；步驟五，迭代求解；步驟六，獲得底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果。本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中，所述步驟一中，根據(jù)轎車的整車性能指標(biāo)，確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的性能指標(biāo)，所述底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件包括前、后副車架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和拖曳臂，所述底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的性能指標(biāo)包括重量、尺寸公差、與其他部件的裝配間隙要求、剛度、模態(tài)、強(qiáng)度及可靠耐久性，所述轎車的整車性能指標(biāo)的具體指標(biāo)值根據(jù)不同載荷工況下的整車性能要求確定。本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中，所述步驟二中通過如下方式建立懸架多體模型并計算底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件各連接點載荷確定載荷條件，載荷條件包括準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況和實際路面載荷；將準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況或?qū)嶋H路面載荷作為條件，根據(jù)車輛的設(shè)計軸荷、發(fā)動機(jī)特性、懸架硬點、懸架特性條件，建立多體懸架模型，按照步驟一的載荷工況進(jìn)行多工況模擬分析，得到底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)的連接點載荷，每個連接點載荷包括3向力和3向力矩。本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中，所述準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況包括標(biāo)準(zhǔn)工況下Z向O. 8-1. Og、垂向加速時Z向3. 0-3. 5g、縱向跳動時X向1.8-2. Og且Z向O. 8-1. Og、側(cè)向跳動時Y向I. 8-2. Og且Z向O. 8-1. Og、右轉(zhuǎn)時Y向I. 0-1. 2g、轉(zhuǎn)向且制動時X向O. 7-0. 8g、制動時X向I. 0-1. 2g且Z向O. 8-1. Og、倒車時制動X向O. 4-0. 5g且Z向O. 8-1. Og、倒車時制動X向0. 8-1. 0g、加速時X向0. 4-0. 6g且Z向0. 8-1. 0g、轉(zhuǎn)向時加速X向0. 4-0. 5g、對角線載荷左前(對角線載荷從汽車的左前端傳向右后端)、垂向加速時Z向2. 0-3. 0g、垂向加速時Z向0. 4-0. 6g、右轉(zhuǎn)向時Y向0. 7-0. 8g且Z向0. 8-1. 0g、右轉(zhuǎn)向時Y向0. 7-0. 8g且Z向0. 8-1. 0g、制動時X向0. 7-0. 8g且Z向0. 8-1. 0g、加速時X向-0. 4-0. 5g 且 Z 向 0. 8-1. 0g、加速時 X 向 0. 2-0. 3g 且 Z 向 0. 8-1. Ogo本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中，所述步驟四利用如下公式建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型
權(quán)利要求
1.一種汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括 步驟一，確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件性能指標(biāo)； 步驟二，建立懸架多體模型，計算底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件各連接點載荷； 步驟三，建立適合于底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的有限元初始設(shè)計域； 步驟四，建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型； 步驟五，迭代求解； 步驟六，獲得底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟一中，根據(jù)轎車的整車性能指標(biāo)，確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的性能指標(biāo)，所述底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件包括前、后副車架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和拖曳臂，所述底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的性能指標(biāo)包括重量、尺寸公差、與其他部件的裝配間隙要求、剛度、模態(tài)、強(qiáng)度及可靠耐久性，所述轎車的整車性能指標(biāo)的具體指標(biāo)值根據(jù)不同載荷工況下的整車性能要求確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟二中通過如下方式建立懸架多體模型并計算底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件各連接點載荷 確定載荷條件，載荷條件包括準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況和實際路面載荷； 將準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況或?qū)嶋H路面載荷作為條件，根據(jù)車輛的設(shè)計軸荷、發(fā)動機(jī)特性、懸架硬點、懸架特性條件，建立多體懸架模型，按照步驟一的載荷工況進(jìn)行多工況模擬分析，得到底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)的連接點載荷，每個連接點載荷包括3向力和3向力矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況包括標(biāo)準(zhǔn)工況下Z向O. 8-1. Og、垂向加速時Z向3. 0-3. 5g、縱向跳動時X向I. 8-2. Og且Z向O. 8-1. Og、側(cè)向跳動時Y向I. 8-2. Og且Z向O. 8-1. Og、右轉(zhuǎn)時Y向I.0-1. 2g、轉(zhuǎn)向且制動時X向O. 7-0. 8g、制動時X向I. 0-1. 2g且Z向O. 8-1. Og、倒車時制動X向O. 4-0. 5g且Z向O. 8-1. Og、倒車時制動X向0. 8-1. 0g、加速時X向0. 4-0. 6g且Z向0. 8-1. 0g、轉(zhuǎn)向時加速X向0. 4-0. 5g、對角線載荷左前(對角線載荷從汽車的左前端傳向右后端)、垂向加速時Z向2. 0-3. 0g、垂向加速時Z向0. 4-0. 6g、右轉(zhuǎn)向時Y向0. 7-0. 8g且Z向0. 8-1. 0g、右轉(zhuǎn)向時Y向0. 7-0. 8g且Z向0. 8-1. 0g、制動時X向0. 7-0. 8g且Z向0.8-1. 0g、加速時 X 向-0. 4-0. 5g 且 Z 向 0. 8-1. 0g、加速時 X 向 0. 2-0. 3g 且 Z 向 0. 8-1. 0g。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟四利用如下公式建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型 其中，i表示第i種工況，Ci為第i種工況下的柔順性，Wi為第i種工況對應(yīng)柔順性的權(quán)重因子，V為虛位移，a(u, v, x) = L(v, χ)為結(jié)構(gòu)的虛位移平衡方程,U, M = Afl為位移邊界,σ,.(X)S 5為點χ處的應(yīng)力約束，V(X) = / Βχ Ω彡Vmax為體積上限約束，χ e {O, 1}為拓?fù)湓O(shè)計變量，χ = I表示點χ處存在實體材料，χ = O表示點χ處不存在材料,χ為拓?fù)湓O(shè)計變量，Ω為結(jié)構(gòu)所占區(qū)域，3Ω 為結(jié)構(gòu)的位移邊界，I表示工況數(shù)(當(dāng)載荷工況數(shù)為19時，I取19), u為結(jié)構(gòu)的平衡位移，V為虛位移，Li為柔順性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟四還包括 確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件載荷工況的權(quán)重因子。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟四還包括 確定許用應(yīng)力。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟四還包括 依據(jù)預(yù)先制定的減重目標(biāo)來確定體積約束。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟四還包括 確定優(yōu)化的懲罰因子，所述懲罰因子的取值范圍為3 7 ； 確定收斂因子。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9任一項所述的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟六包括 當(dāng)優(yōu)化滿足迭代收斂終止準(zhǔn)則時停止優(yōu)化求解
全文摘要
本發(fā)明的汽車底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括步驟一，確定底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件性能指標(biāo)；步驟二，建立懸架多體模型，計算底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件各連接點載荷；步驟三，建立適合于底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的有限元初始設(shè)計域；步驟四，建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型；步驟五，迭代求解；步驟六，獲得底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果。本發(fā)明的方法區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計方法，該方法結(jié)合懸架多體模型的連接點載荷分解技術(shù)和連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，通過將設(shè)計要求反應(yīng)在優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中，使設(shè)計方案能夠更準(zhǔn)確、更全面地滿足設(shè)計要求，適用于剛度、強(qiáng)度和輕量化水平要求高的新型底盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，對于轎車底盤的前期概念設(shè)計意義重大。
文檔編號G06F17/50GK102945307SQ201210491729
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者張立玲, 劉明卓 申請人:北京汽車股份有限公司