汽车悬架控制臂多目标拓扑优化设计

汽车悬架控制臂多目标拓扑优化设计

贾顺平

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摘要：汽车悬架控制臂作为汽车悬架系统的重要组成零件，其运动特性对汽车行驶的安全性和平稳性起着至关重要的作用。当汽车悬架控制臂的固有频率与悬架系统的频率接近时，悬架系统会产生共振现象并伴有较大的噪声，它将会直接影响整个悬架系统的工作性能、效率、寿命、安全性和可靠性。

关键词：汽车悬架；控制臂；多目标；拓扑优化

引言

在结构概念设计阶段，经常需要考虑多种性能目标，这些目标往往相互冲突。例如悬架控制臂，它是汽车底盘的重要组成部分，通过球铰和衬套分别与车轮和车身相连，一方面传递车轮和车身之间的作用力，另一方面控制车轮按一定轨迹运动。在不同路况下，控制臂的载荷差别很大，要求其在不同路况下都具有足够的刚度、强度和良好的动态特性。同时，减轻控制臂质量有利于提高汽车行驶的平顺性和操稳性。所以，在概念设计阶段，应充分考虑结构刚度性能、强度性能、固有频率和轻量化效果等多个目标，是典型的多目标优化问题。

1控制臂的拓扑优化

为了提高控制臂拓扑优化的准确性，根据惯性释放方法和动态、静态力平衡方程，建立了控制臂的仿真模型，合理的设计单元的相对密度，并基于目标函数方程计算出控制臂柔度。目标函数的约束条件设置为体积分数小于等于０．３５，拔模方向验证坐标轴的Ｘ方向，此外定义结构柔度时，需确保拔模方向选择的准确性，从而缩短仿真计算的时间和错误率，同时可降低了材料的使用成本，也可保证加工工艺进一步满足工艺标准和设计要求。为了提高仿真计算的精度，在控制臂建模时使用球铰模拟实际情况，最后利用提交分解的方式得到了拓扑优化的结果。为了充分提高建模的规范性和标准性，在综合考虑衬套模型的基础上，科学合理的提出了控制臂的实际受静态力情况，控制臂在受力的同时还会受到旋转的扭矩作用，可以基于衬套的变形计算和衬套的扭转刚度计算出控制臂的扭矩，最后根据球铰的结构特点，实现了对控制臂和球姣两者运动特性的模拟，避免了出现不适用的拓扑优化结果。

2汽车悬架控制臂多目标拓扑优化设计

2.1后下控制臂模型设计

本项目悬架形式为刀锋臂式四连杆后悬架。后悬架下控制臂布置在副车架和车轮支架之间，同时为弹簧、减震器、稳定杆提供安装接口，为确定其设计边界，在CATIA里建立了后悬架的运动学DMU模型，并带入周边件。以下控制臂为参考，输出周边件相对下控制臂的运动包络，如图2所示。进而在CATIA装配模块下重新以下控制臂作为固定零件，将所获得的运动包络依次装配形成新的悬架模型，构成了下控制臂的空间包络约束。其中对下控制臂设计影响最大的是弹簧包络，本工作建立了精确的弹簧包络，保证下控制臂与弹簧之间的间隙，基于设计包络，结合设计经验及制造工艺经验，得到了下控制臂的参数化模型。

2.2后悬架多体动力学模型

在项目开发前期，宜采用静态载荷工况用于底盘结构件静强度和疲劳的计算，指导零件设计优化。文章选用汽车行驶过程中的一些典型工况或工况组合计算悬架的载荷，如加速、制动、转弯、路障等，静态载荷主要包括垂向、纵向和侧向载荷。为精确计算载荷，在ADAMAS/Car模块建立刚柔耦合的后悬架多体动力学模型。输入后悬架的各硬点坐标、建立各子部件、导入各柔性体、定义连接关系、输入弹簧刚度曲线和各衬套的刚度曲线等。为提高该动力学模型的精确性，副车架采用实际模型并进行柔性体处理，衬套参数采用实测刚度曲线。根据后悬架动力学模型及理论受力载荷进行静载求解，由整车参数和标准静态载荷工况计算得到轮心六分力，最后将轮心力输入动力学模型，计算得到控制臂各硬点处的载荷。

2.3优化控制臂的性能计算

（1）优化控制臂强度计算。控制臂的强度计算主要是为了计算其承载能力，以达到预期的抵抗失效目标。控制臂的强度大小可以通过单位面积受到的应力大小表征，使用有限元对控制臂的表面应力进行仿真时，首先构建出合适的单元网格，同时为了简化控制臂表明的应力计算，还需合理的增加壳单元的蒙皮厚度。为充分提高有限元分析建模的准确性，还需利用壳单元对产品表面开展有效的模拟，客观反映出模型表明应力情况。建模过程中优先选用厚度小于１ｅ－３ｍｍ的蒙皮壳单元，并对比与未蒙皮的壳单元进行对比，结果如下表２所示。根据表中数据可以得到：当蒙皮厚度低于１ｅ－３ｍｍ时，均可以精确表示控制臂表面的应力，但是当蒙皮壳厚度超过１ｅ－３ｍｍ时，蒙皮壳单元便等效成一层实体单元，此时，蒙皮的效果也就会有所降低。由此可见，为了确保分析的蒙皮壳单元应力与实体应力基本一致，需要在综合考虑控制臂表面应力的基础上，精确计算出其应力，避免后期出现控制臂应力失真的现象。（2）优化控制臂刚度计算。悬架零部件若出现弹性或者塑性变形，会影响车辆行驶安全性。因此对控制臂刚度设计过程中，除了考虑控制臂自身的强度外，还需要关注刚度的结果，只有其刚度满足标准和要求，才会确保汽车能够安全、可靠、稳定的运行。零部件刚度满足要求主要是指在实际运行中，所发生的最大变形量和最小变形量均满足构建所要求的变形范围。然而在实际的计算过程中，由于受汽车行驶工况复杂性的影响，控制臂受力情况也较为复杂没法直接全过程的反映出来，所以需要在分析过程中针对经常遇到的能反映实际行驶工况的典型特征路面进行分析，即此时施加给控制臂的力和力矩能客观代表一定特征工况下的受力情况。在控制臂的优化设计过程中，由于工程实现的考虑和车辆运行稳定性的要求，控制臂在Ｘ方向的刚度设置２ＫＮ以上，在Ｙ方向的刚度设置在１５ＫＮ以上。此外还需要根据控制臂的模型精确计算出在不同方向所产生的实际位移情况，从而计算出控制臂在各个方向对应的刚度，通过惯性释放法（通过施加惯性力来平衡合外力的方法，保证控制臂没有刚体位移），完成拓扑优化，得到如下表３所示的计算结果。从表中的数据可以得到：基于本文提出的建模和分析方法，所得到的优化控制臂刚度的计算结果准确有效，满足设计要求。

结语

由汽车控制臂的可靠性优化设计算例结果可得，本文中提出的方法通过求解符合满足可靠性指标的标准化变量值，完成随机变量的修正，进而进行等价的确定性拓扑优化，避免了优化过程中繁琐的可靠性分析，从而大大缓解了可靠性优化的计算负担。所提出的优化算法不仅能获得优良的可靠性拓扑优化构型，且能通过合理修改结构的参数值，获得指定的可靠性指标。因此，所提出的方法具备良好的实用价值，可最大限度地满足经济性和安全性的设计要求。

参考文献

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