基于Optistruct某SUV副车架的结构优化

黄小征，王帅，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

设计研究

基于Optistruct某SUV副车架的结构优化

黄小征，王帅，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

汽车轻量化是世界汽车技术发展的重要方向，是国内汽车厂商对能源环境挑战的共同选择，也是汽车产业可持续发展的必经之路。发展汽车轻量化技术，是我国节能减排的需要，也是产业结构调整的需要，更是提升我国汽车产品国际竞争力、建设汽车强国的需要。文章应用结构优化软件 Optistruct，在满足性能要求的前提下，对某SUV车型的副车架进行尺寸和拓扑优化分析，找到最优钣金件厚度和重要单元密度区域，实现副车架减重和轻量化设计。

轻量化；副车架；结构优化；Optistruct

前言

能源需求与环境污染的压力日益严峻，但汽车在人类生活和经济活动中也发挥着不可替代的作用。因此，如何减少汽车能源消耗与降低排放成为各国政府和汽车行业面对的主要问题之一。汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，已经成为世界汽车发展的潮流[1]。

副车架是乘用车底盘中非常重要的安全及承载部件，其支撑着前、后轴荷簧载质量，隔离驱动单元的震动，承受和传递汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。因此，副车架强度是否满足要求直接关系到驾驶的安全性。通过副车架强度仿真分析对其强度进行评估，从而在车型开发前期对副车架进行结构优化，在满足汽车使用要求、安全性和成本控制的条件下实现产品减重，提高汽车的动力性，降低燃料消耗，减少排气污染[2~3]。

本文利用结构优化软件 Optistruct[4~5]，在满足性能要求的前提下，对某 SUV车型的副车架进行尺寸和拓扑优化分析，实现副车架减重和轻量化设计[6]。

1 建立强度分析模型

1.1 几何模型

在CATIA三维模式下，副车架几何模型如图1所示。

图1 副车架几何模型

1.2 有限元模型

在前处理ANSA软件中，以基本单元尺寸5mm划分网格，缝焊采用Shell单元刚性连接，点焊采用ACM单元模拟，并创建11种强度分析工况[7~9]，副车架有限元模型如图2所示。

图2 副车架有限元模型

1.3 边界条件设定

不添加约束条件，采用惯性释放方法计算强度，分别加载11种工况下载荷。

2 模型计算结果

2.1 强度分析结果

副车架强度分析结果如表1所示。

表1 副车架强度分析结果

2.2 结构优化分析

2.2.1 尺寸优化

a）选择以下7个零部件作为设计变量，如表2所示。

表2 设计变量选择

b）创建7个零部件应力响应和1个体积响应；

c）将7个零部件应力响应转化为应力约束<305MPa；

d）将1个体积响应转化为目标函数min。

尺寸优化后，结果如表3所示。

表3 尺寸优化结果

尺寸优化后的重量为20.4Kg，比优化前降低了6%。

2.2.2 拓扑优化

在上面尺寸优化的基础上，对副车架上下板进行拓扑优化。

a）选择可进行拓扑优化的副车架上下板的平面紫色区域，如图3、4、5所示。

图3 设计区域一（优化前）

图4 设计区域二（优化前）

图5 设计区域三（优化前）

b）创建1个加权应变能响应和1个体积分数响应；

c）将体积分数响应转化为约束<0.6；

d）将加权应变能响应转化为目标函数min，即刚度最大。拓扑优化后，结果如下表4，图6、7、8所示。

表4 拓扑优化结果

图6 设计区域一（优化后）

图7 设计区域二（优化后）

图8 设计区域三（优化后）

尺寸优化后的重量为 20.04Kg，比优化前降低了 1.8%[10~13]。

3 结论

拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并作出适当的修改；尺寸优化基于详细设计的思想，汽车产品设计的中后期，尺寸优化通过分析总成中各个钣金料厚对总体性能影响的敏感度，重新优化钣金件厚度。基于上述两种思想，在满足性能要求的前提下，通过尺寸优化和拓扑优化，实现副车架减重7.7%，达到了质量最轻化设计，也为产品研发部门提供了强有力的设计依据。

[1] B.克莱恩.轻量化设计[M].第8版,北京:机械工业出版社,2010:1-8.

[2] 余志生.汽车理论[M].第3版,北京:机械工业出版社,2002:11-17.

[3] 陈家瑞.汽车构造[M].第3版,北京:机械工业出版社,2011.

[4] 张胜兰,郑冬黎,郝琪,李楚琳. 基于 HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2016:170-183.

[5] 洪清泉,赵康,张攀. Optistruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2016:135-162.

[6] 王得天,王成龙. Optistruct在汽车车架优化设计中的应用[J].2007 Altair大中国区用户技术大会论文集,2007:1-8.

[7] 卞翔.基于 OptiStruct的节能赛车车架设计[J].Altair 2012 Hper Works技术大会论文集,2012:1-8.

[8] 陈华,丰云秀. 基于HyperWorks的某轿车副车架模态分析及优化[J]. Altair 2012 HperWorks技术大会论文集,2012:1-4.

[9] 王力,喻慧然.基于 OptiStruct尺寸优化的某试验台架结构优化设计[J]. Altair 2012 HperWorks技术大会论文集,2012:1-12.

国内最大机器人产业基地启用

近日，新松智慧产业园在沈阳正式启用。该产业园是目前我国规模最大的机器人产业基地，其C4车间是我国首个工业4.0生产示范实践厂区，用机器人生产机器人。新松智慧产业园占地面积26万平方米、建筑面积34万平方米，于2011年12月开工建设。园区分为总部大厦、机器人展示中心、综合办公楼及产业区等，设有研发中心、洁净装备制造中心、数字装备制造中心、成套装备制造中心、柔性智能制造中心、大型装备制造中心等。据介绍，产业园的C4车间暨数字化工厂是中国首个工业4.0生产示范实践厂区，该厂区真正将机器人、智能设备和信息技术融合在制造全过程，年生产机器人及智能制造装备可达到1万台套。据悉，新松以国家智能制造专项政策为契机，目前已有多个项目成为国家 2017年智能制造综合标准化与新模式应用立项项目，为新松下一步拓展新行业起到示范作用。

（编辑： 寇娇洁 来源： 科技日报）

Structure optimization of SUV subframe based on optistruct

Huang Xiaozheng,Wang Shuai, Li Fei
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Car lightweight is an important direction for the automotive technology development in the world, is the common choice of the energy and environmental challenges for domestic car manufacturers, and is also the automobile industry sustainable development of the only way. The technology development of car lightweightization is the need for energysaving emission-reducting in China, is the need for industrial restructuring, and is also the need for enhancing the interna-tional competitiveness of China's auto products and building a car power. The paper applicates the structure optimization software Optistruct, takes the dimensions and topological optimization analysis for a SUV subframe meeting the perfor-mance requirements of the premise, in order to find the best thickness of sheet meta、important cell density area, and further achieve the subframe weight loss and lightweight design.

Lghtweight; Subframe; Structure optimazation; Optistruct

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-01-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.001

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-01-03

黄小征，就职于华晨汽车工程研究院，工程师，主要从事轻量化设计和结构优化分析工作。