轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计

提取了汽车在加速、制动、稳态回转和最高车速行驶4种工况下前悬架控制臂的载荷,建立了控制臂的拓扑优化分析模型。以控制臂质量最轻、最大变形最小为目标函数,以控制臂的1阶弹性模态频率不低于轻量化前的频率及控制臂最大米塞斯应力小于材料的许用应力为约束条件,以控制臂参数化模型的11个参数为设计变量,建立了控制臂轻量化多目标优化设计数学模型。用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对控制臂进行轻量化多目标优化设计结果表明,在保持控制臂低阶固有振动特性、强度和刚度基本不变的条件下,轻量化后控制臂质量从2.62kg减少到2.21kg,减重15.6%,轻量化效果明显。     

汽车后副车架轻量化概念设计方法研究

在汽车结构概念设计阶段,将拓扑优化技术与隐式参数化建模相结合,并引入截面形状控制方法,用以实现产品结构-材料-性能一体化优化设计。第1步,对后副车架进行综合目标拓扑优化。第2步,建立隐式参数化模型,采用截面形状控制方法选择零件形状、位置、厚度和材料等36个参数为设计变量,以质量最小、第1阶模态频率最高为目标,硬点刚度和前3阶模态频率为约束,进行多目标优化。结果表明,在满足后副车架性能目标的条件下,质量减轻2.41 kg,其轻量化率达14.5%。     

基于疲劳寿命的驱动桥壳可靠性与轻量化设计

为提高驱动桥壳的轻量化水平和道路行驶疲劳可靠性,对驱动桥壳进行6-Sigma稳健性多目标轻量化设计。首先,建立驱动桥壳的虚拟台架仿真模型,并进行垂直弯曲刚性和垂直弯曲静强度的仿真分析,将仿真得到的桥壳本体各测点变形量和关键受力点应力值与试验结果进行对比,以验证桥壳虚拟台架仿真模型的可信性。其次,建立驱动桥壳的最大垂向力仿真模型,结合耐久性强化路面下驱动桥壳板簧座处的垂向载荷谱,基于名义应力法,对驱动桥壳进行了道路行驶工况下的疲劳寿命分析。然后,选取驱动桥壳本体各截面壁厚为设计变量,基于熵权法和TOPSIS（Technique for Ordering Preferences by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS）方法研究各壁厚变量对桥壳综合性能的影响。结合RBF（Radial Basis Function,RBF）近似模型和NSGA-Ⅱ算法（Elitist Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-Ⅱ）对驱动桥壳进行基于疲劳寿命的多目标确定性轻量化设计,获取Pareto最优解集,选取桥壳的优化方案。最后,基于蒙特卡罗模拟抽样方法和微存档遗传算法（AMGA）对驱动桥壳进行了多目标6-Sigma稳健性轻量化设计,得到桥壳稳健性优化方案。研究结果表明：稳健性优化后,驱动桥壳本体的疲劳寿命降低了12.3%,但和初始结构的疲劳寿命相比,仍提升了117%;桥壳本体疲劳寿命正态分布的标准方差下降了72.1%,说明桥壳本体的疲劳可靠性得到了大幅提升;桥壳本体的质量升高了1.8%,但和优化前的桥壳原结构相比,仍实现减重5.9%。     

底盘下控制臂轻量化解决方案

汽车开发过程中,为能减少整车重量,使有限材料发挥最大性能,往往会涉及到轻量化以及拓扑优化。在满足汽车开发设计目标的同时,对零件提出合适的轻量化指导方案,有利于汽车制造成本节约及减少能源消耗。某车企在某车型研发初期,对车辆整备质量目标定义较为严格,对各零件轻量化设计提出了较高的要求。下控制臂是汽车底盘重要零件,通过拓扑优化方法,将下控制臂作为设计变量,使用有限元软件进行拓扑仿真,根据拓扑云图,结合控制臂不同位置的截面尺寸进行研究分析,提出较好的结构设计方案。     

汽车悬架控制臂的可靠性拓扑优化

本文中基于变密度法,建立了具有可靠性约束的连续体结构拓扑优化模型,以结构设计区域体积最小化为目标函数,对某一汽车的悬架控制臂进行带解耦格式的可靠性拓扑优化。首先,根据一次可靠度法中可靠性指标的几何意义寻求满足目标可靠性指标约束的设计点;然后,依据随机变量的灵敏度信息将随机变量修正为确定性变量;最后,将问题分解为可靠性分析和等价的确定性拓扑优化两个独立子问题,进行确定性可靠性拓扑优化,并以某一汽车的悬架控制臂为例,验证了所提算法的有效性。结果表明:与确定性拓扑优化相比,带解耦格式的可靠性拓扑优化可获得更加可靠的拓扑优化构型,可最大限度地满足经济性和安全性的设计要求。     

铸铝一体化发动机罩的可靠性优化设计

为了提高发动机罩的轻量化水平与性能要求,采用“材料-工艺-结构-性能”一体化集成方法设计铸铝一体化发动机罩。建立了发动机罩的有限元模型,通过模态试验验证了所建模型的准确性。以铸铝发动机罩厚度为设计变量,综合考虑发动机罩的刚度和模态性能,采用最优拉丁超立方试验设计构造样本点,联合径向基（Radial Basis Function,RBF）神经网络模型与多岛遗传算法（Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA）进行多目标优化。基于RBF-MIGA近似模型和6Sigma可靠性优化方法对发动机罩进行优化设计。结果表明,经可靠性优化后的发动机罩质量减轻了10.59%,约束一阶模态提高了41.43%。     

基于改进图分解法的多材料车身结构优化设计方法

针对概念设计阶段的车身结构轻量化设计,提出了一种可实现车身多材料结构设计的分层迭代优化方法。该优化方法的设计变量中,除常见的板厚、材料外,还包括装配设计中的拓扑连接,以实现“将合适的材料用在合适的部位”的要求。分层迭代优化的第1层以拓扑连接为设计变量,采用图分解和NSGA-II对车身装配拓扑结构进行多目标优化,最大化车身弯扭刚度和1阶固有频率;第2层对板厚和材料进行多目标优化,最小化车身质量和材料成本。最终采用基于模糊集合的评分公式选定综合最优解,实现了考虑成本的车身结构轻量化设计。     

基于响应面法的转向驱动桥空心半轴轻量化优化设计EI北大核心CSCD

提出了一种基于数值优化与有限元模拟相结合的汽车转向驱动桥空心半轴轻量化设计方法。以半轴各段的壁厚、长度和过渡角为设计变量,半轴质量最小化为优化目标,2阶约束模态频率和半轴花键末端圆角过渡处等效应力为约束条件,建立了半轴轻量优化模型。利用正交试验设计得到10个设计变量和3个水平的数值模拟试验组合。采用最小二乘法建立了响应面近似模型,并利用序列二次规划算法对模型进行了迭代优化。结果表明:轻量化优化后的变径全空心半轴质量比初始设计减少约16.7g,半轴2阶约束模态频率增加约0.6Hz,且半轴花键末端圆角过渡处和最小轴径处的等效应力值均低于半轴材料的抗扭强度。     

基于响应面法的转向驱动桥空心半轴轻量化优化设计

提出了一种基于数值优化与有限元模拟相结合的汽车转向驱动桥空心半轴轻量化设计方法。以半轴各段的壁厚、长度和过渡角为设计变量,半轴质量最小化为优化目标,2阶约束模态频率和半轴花键末端圆角过渡处等效应力为约束条件,建立了半轴轻量优化模型。利用正交试验设计得到10个设计变量和3个水平的数值模拟试验组合。采用最小二乘法建立了响应面近似模型,并利用序列二次规划算法对模型进行了迭代优化。结果表明:轻量化优化后的变径全空心半轴质量比初始设计减少约16.7g,半轴2阶约束模态频率增加约0.6Hz,且半轴花键末端圆角过渡处和最小轴径处的等效应力值均低于半轴材料的抗扭强度。     

基于机构运动学的多连杆悬架下控制臂优化

为实现某多连杆悬架下控制臂的轻量化设计,结合机构运动学和有限元优化方法,通过运动包络技术获得下控制臂的初始设计域,综合运用拓扑优化和尺寸优化技术确定下控制臂的优化设计方案。通过典型工况强度校核以及样车可行性与可靠性试验综合验证,实现了满足运动空间和强度要求下控制臂的正向设计。文章提出的优化设计方法能够为汽车悬架零部件的轻量化设计提供参考。     

分步优化方法在后车架轻量化中的应用

为解决实际工程中设计变量多、设计空间大的优化问题,提出了分步优化策略.它将所有的设计变量分成数目较少的几组,结合新近开发出来的基于元模型的优化方法,逐步确定每一组设计变量的值.将该策略应用于某款车后车架的轻量化分析,验证了其有效性.     

城市客车车身结构有限元分析与优化

轻量化设计作为目前汽车节能减排、降低油耗、提高整车性能的一个重要手段受到了越来越多的重视。本文建立车身结构有限元模型,根据城市客车运行工况,分别选取弯曲工况、弯扭组合工况和转弯工况评价某6120城市客车车身结构的静态特性并进行分析,选取底架、顶盖前部部分结构件和后围上部角铁作为尺寸优化对象,以结构件壁厚为设计变量,以材料屈服极限为约束函数,以模型体积最小化为目标函数进行尺寸优化。     

某中卡驾驶室前悬置的拓扑优化设计

本文旨在通过某中卡驾驶室前悬置的结构优化设计过程,阐述如何在给定空间,根据车辆结构的使用要求寻找出其材料的最佳布局方式,从而使车辆结构最大限度地实现轻量化。传统结构优化设计过程大致为假设-分析-校核-重新设计,有时这个过程需要重复多次,很难找出最佳设计方案,用材裕度一般较大。本文前悬置的结构优化设计中,直接优化出其结构材料的最佳布局从而实现前悬置的轻量化。其优化设计方法过程如下：确定前悬置相关的极限强度工况(七种)和安全法规要求的前拍工况,运用多体软件建立中卡整车模型,分析提取极限强度工况载荷;建立驾驶室前拍工况模型,计算提取前拍工况载荷;建立前悬置的优化模型,施加前面提取的工况载荷,以优化设计区域密度作为优化设计变量,把各工况下的计算应力和体积作为响应,把材料屈服强度作为约束边界,以体积最小作为优化目标进行优化分析,从而得出前悬置结构材料的最佳布局方式。根据优化结果,设计人员设计出的样件一次性通过了实际强度试验验证和碰撞安全前拍工况的摸底试验,这一优化方法大大地缩短了前悬置结构的开发周期和试验时间,也节省了开发试验费用。也说明CAE技术在产品概念开发和产品设计阶段具有重要的指导参考作...     

注塑短纤维增强复合材料汽车尾门内板轻量化设计

本文中针对短纤维增强复合材料汽车尾门内板，提出一种包含材料-结构并行优化的轻量化设计流程。考虑纤维分层分布特点建立材料分层模型，在此基础上提出材料参数化本构模型，在改变材料参数时可快速预测其力学性能；根据纤维取向的分布特征，提出材料参数提取和映射方法，有效提升结构分析精度；考虑材料和结构设计变量，结合Kriging代理模型和基于边界搜索的改进粒子群优化算法，提出复合材料汽车尾门内板轻量化设计流程。最终结果，在保证多工况设计要求的同时，实现了材料和结构参数的并行优化，取得减质量10.5%的轻量化效果。     

大客车结构有限元分析及轻量化设计

建立了某型大客车结构有限元模型,验证了该模型的正确性。完成了整车振动模态、扭转刚度的分析。在此基础上,以壳单元厚度为设计变量,以1阶扭转频率和扭转刚度为联合约束函数,以整车质量最轻为目标函数进行结构优化设计。通过对整车刚度、模态和强度的分析与校核,表明该大客车轻量化方案满足性能要求,具有可行性。     

基于分析驱动设计的封闭白车身轻量化多目标优化

本文旨在进行基于分析驱动设计的封闭白车身轻量化多目标优化。首先建立隐式参数化封闭白车身模型,以快速实现有限元模型的变化与更新。进而对生成的有限元模型进行模块化设置。结合参数化模型和模块化设置实现了封闭白车身后台全自动运算的功能。以封闭白车身质量最小、扭转刚度最大为目标,车身1阶弯曲模态、弯曲刚度和弯扭工况强度为约束,板件厚度、主断面位置和主断面形状等54个参数为设计变量,采用NSGA-Ⅱ算法,对封闭白车身进行轻量化多目标优化。优化算法根据性能梯度变化和相应的搜索功能实现了"分析驱动设计"的理念。优化结果表明,封闭白车身质量降低32.41kg,轻量化率达7.63%。除白车身静态弯曲刚度降低0.74%之外,其他性能均得到提升,最大的改善率为2.69%。     

基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计

为了在满足性能要求的前提下有效降低纯电动大客车车身骨架结构质量,减少客车行驶阻力,节省电耗、提高续航里程,进而提升整车的性能品质和市场竞争力,对客车车身骨架进行了轻量化多目标优化设计。建立了某纯电动大客车车身骨架结构的有限元模型,以客车车身骨架总柔度最小为目标,设计区域的体积为约束条件,设计区域各单元的相对密度作为设计变量,对车身结构的车顶骨架、车底骨架和左右侧围骨架进行了拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果提取出了大客车车身骨架的拓扑结构。通过相对灵敏度分析,从21个设计变量中确定出13个对车身骨架性能不敏感但对减重较敏感的设计变量,然后以车身骨架质量M最小、一阶扭转频率Ft和弯曲频率Fb最大作为目标,以弯曲和扭转工况下车身骨架结构的静柔度Cb和Ct小于给定值作为约束条件,以相对灵敏度分析确定出的13个壁厚参数作为设计变量,用尺寸优化方法和多目标遗传算法(MOGA)对大客车车身骨架结构进行了轻量化优化设计,并在4种典型工况下对优化前后的大客车车身骨架结构的静、动态性能进行了分析对比。结果表明:所建立的纯电动大客车车身骨架拓扑优化方法、相对灵敏度分析方法与轻量化多目标优化设计方法有效,在满足大客车车身骨架结构性能要求的前提下,实现减重303kg,减重率为11%,轻量化效果显著。     

某微车座椅骨架的轻量化拓扑构型设计

采用基于变密度法(Solid Isotropic Microstructures with Penalization,SIMP)的拓扑优化法对某车后座座椅骨架进行轻量化设计。考虑在安全固定点工况下的座椅强度与刚度性能,建立了座椅和白车身的有限元模型,并通过试验验证了模型的合理性。将该有限元模型转化为基于SIMP的体积约束下柔度最小化模型,通过OptiStruct软件进行拓扑优化,并考虑了高强度材料的应用,最终使座椅总质量降低了2.585 kg,得到一种符合强度、刚度和轻量化要求的座椅骨架构型设计方案。     

基于铸铝工艺的悬架下控制臂可变壁厚优化设计

以采用铸铝工艺成型的汽车悬架下控制臂为研究对象,基于Opti Struct尺寸优化与CATIA曲面建构方法,开展可变壁厚悬架下控制臂的优化设计,并通过仿真分析与实车试验验证方案的可行性与可靠性,实现下控制臂的轻量化设计。本文提出的可变壁厚优化设计方法可为汽车其它零部件的轻量化设计提供参考。     

基于Optistruct的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计

采用Optistruct的优化算法,对控制臂的厚度和截面进行二次优化设计,在保证其结构强度和包络空间满足要求的同时,将其厚度由8mm减少到3mm,实现了该控制臂的轻量化设计要求.本文提出的尺寸优化设计方法可为汽车其他零部件的轻量化设计提供参考.