李成

               奇瑞汽車股份有限公司底盤技術(shù)研究院 安徽蕪湖

    摘要：基于拓?fù)鋬?yōu)化理論，使用 Altair 公司的 solidThinking Inspire 軟件，對鋁合金壓鑄副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在規(guī)定的體積內(nèi)取得最佳的材料分布，使得剛度最大。優(yōu)化結(jié)束，進(jìn)行了 CAD 模型重建，并與原件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變比較。 

    關(guān)鍵詞：副車架 鋁合金 優(yōu)化 拓?fù)?solidThinking Inspire 

    一、引言  

   本文主要研究適用鑄鋁、鑄鐵件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是基于 Altair 公司的 solidThinking Inspire 軟件，采用了實(shí)體拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。采用多工況單一目標(biāo)的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了對鑄鋁副車架的優(yōu)化 設(shè)計(jì)。最終達(dá)到了減輕控制臂重量、增強(qiáng)控制臂剛度這一目標(biāo)。 

     二、簡介  

   副車架（Subframe）在目前是大多數(shù)中小型轎車中均有應(yīng)用，其主要作用是：1）提高車身側(cè)向、扭轉(zhuǎn)剛度；2）對路面震動(dòng)進(jìn)行二次隔絕；3）方便模塊化裝配(發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等部件先安裝于副車架再整體上托安裝于車身) ，如圖 1 所示為副車架應(yīng)用位置及大致形狀。

   對于副車架來說受力主要有兩種情況：1）承受在加速、制動(dòng)、過坎時(shí)來自地面并通過輪胎、 控制所傳遞的縱向力；2）轉(zhuǎn)向時(shí)來自地面并通過輪胎、控制傳遞過來的側(cè)向力,以及固定在副車架上的轉(zhuǎn)向機(jī)殼體反作用力。副車架的受力情況如圖 2 所示，F(xiàn)x 作用在輪心的縱向力，F(xiàn)y 為側(cè)向力通過控制臂傳遞到副車架前后襯套處將做進(jìn)一步分解,具體受力分解在多體動(dòng)力學(xué) MotionView 中進(jìn)行，在此不再贅述。

                                                                      圖 1 某車型副車架

     

                                                                         圖 2 副車架受力分解

   

                                                                        圖 3 原設(shè)計(jì)副車架                                                                

    三、solidThinking Inspire 優(yōu)化具體操作

    圖 3 所示為原設(shè)計(jì)的副車架,為多片鈑金沖壓焊接而成。在過去很長一段時(shí)間內(nèi)這種結(jié)構(gòu)較為常用，主要優(yōu)勢成本低廉。當(dāng)然也有不少缺點(diǎn)，1）重量較大，在節(jié)能減排方面無優(yōu)勢；2）焊接質(zhì)量一致性控制較難；3）生產(chǎn)線前期投入大（工裝、夾具）。鑒于以上的原因，某新車型進(jìn)行更新?lián)Q代時(shí)準(zhǔn)備采用歐美中高端車所使用的鋁合金壓鑄副車架。具體操作步驟如下。

    第一步，模型的導(dǎo)入及前處理，根據(jù)布置情況建立設(shè)計(jì)空間，因?yàn)?solidThinking 提供了一 套基本的建模命令，所以可以直接在 solidThinking 中建立; 也可以在專業(yè)的 CAD 軟件中建立之 后導(dǎo)入 solidThinking ，如圖 4 所示為導(dǎo)入 solidThinking 的設(shè)計(jì)空間模型。

                                                                圖 4 副車架設(shè)計(jì)空間 

    如同 HyperWorks 做優(yōu)化設(shè)計(jì)，solidThinking 也需要?jiǎng)澐衷O(shè)計(jì)區(qū)、非設(shè)計(jì)區(qū)域，但操作起來要簡單的多，只需鼠標(biāo)右鍵即可完成。圖 4 所示的模型已經(jīng)分出了設(shè)計(jì)區(qū)域（棕色），非設(shè)計(jì)區(qū)域（灰色）。solidThinking 是針對 CAD 設(shè)計(jì)師的優(yōu)化軟件，在 solidThinking 中不需要考慮 CAE 方面的諸如網(wǎng)格大小、材料屬性等概念，甚至不了解 CAE 的工程師用起來 solidThinking 也沒一點(diǎn)障礙。 接上面第一步，根據(jù)副車架在實(shí)車中的實(shí)際工況,對四個(gè)安裝點(diǎn)添加了對應(yīng)的約束。在兩側(cè)控制臂襯套位置,以及轉(zhuǎn)向機(jī)殼體安裝點(diǎn)施加了多體 Motionview 解算出的節(jié)點(diǎn)力。左側(cè)的模型樹上 分別創(chuàng)建了兩個(gè)工況，制動(dòng)及轉(zhuǎn)向。將施加的載荷及約束對應(yīng)的歸類到兩工況之下。完成后的模型如圖 5 所示。

                                                                圖 5 添加了約束及載荷的模型

    第二步 解算及模型解析，完成了模型的前處理，只需設(shè)置一下保留的體積分?jǐn)?shù)，最小尺寸等參數(shù)即可提交解算。

                                                                圖 6 解算設(shè)置

    解算過程比較快，解算完畢后查看結(jié)果；如不滿意可進(jìn)一步設(shè)置一些約束，比如拔模，對稱等參數(shù)，圖 6 分別顯示了不同設(shè)置下的優(yōu)化結(jié)果。

                                                                圖 7 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

    第三步 模型重建，經(jīng)過工藝、成本綜合對比分析，第三種方案（單向拔模有對稱）最合適，導(dǎo)出結(jié)果 stl 文件作為重建模型的參考，用于模型的重建。圖 8 左圖是導(dǎo)入了 CAD 軟件的優(yōu)化 結(jié)果 stl 文件，右圖為根據(jù)結(jié)果重建的CAD 幾何模型。圖 9 為重建的副車架模型高清渲染圖。

                                                                圖 8 優(yōu)化結(jié)果及重建的幾何模型

                                                                圖 9 重建模型高清圖

    四、優(yōu)化結(jié)果對比 

    重建的副車架 CAD 模型及原始的 CAD 模型進(jìn)行比較，在滿足應(yīng)力、剛度要求下，減重非常明顯，如下表。

                                                                表 1 優(yōu)化前后模型對比

    五、結(jié)論

    本文主要介紹了利用 solidThinking Inspire 軟件對副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型重建、模型校核、方案對比等內(nèi)容。著重闡述了 solidThinking Inspire 軟件實(shí)體結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化流程。通過優(yōu)化使副車架材料達(dá)到一個(gè)最優(yōu)化的分布，在既定的條件下使副車架的用料最少，對應(yīng)的質(zhì)量也最小. 隨著燃油價(jià)格的普遍上漲，車輛輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越被各 OEM 廠家重視，本文通過一個(gè)完整的流程來證明只要是零部件就有優(yōu)化的空間。只要在優(yōu)化時(shí)設(shè)置好優(yōu)化的約束及模型的優(yōu)化參 數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化與工藝性是可以統(tǒng)一的。 solidThinking Inspire 是 Altair 公司將 HyperWorks 軟件 OptiStruct 解算器以及一些前處理 的功能進(jìn)行了打包分裝，更簡單易上手。將大量的前處理工作隱式化，作為軟件底層的基本功能， 對于操作者并不需要去關(guān)注。是真正面向了結(jié)構(gòu)工程師的一個(gè)助手軟件，解決了以往學(xué)優(yōu)化必須 先學(xué) CAE 的困境。

    參考文獻(xiàn)  

     [1] solidThinking Inspire User’s Manual  

     [2] solidThinking Inspire 設(shè)計(jì)工程師基礎(chǔ)教程.pdf

     [3] solidThinking Inspire 設(shè)計(jì)工程師必修教程.pdf

       

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