1 前言
CAE（計算機輔助工程）技術(shù)的發(fā)展大大增強了設計者通過仿真預測產(chǎn)品性能的能力。多樣化的CAE技術(shù)不僅可以用預測產(chǎn)品的性能也可以用產(chǎn)品開發(fā)流程中。優(yōu)化技術(shù)就是產(chǎn)品開發(fā)過程中CAE技術(shù)一個重要的應用。現(xiàn)代設計方法正從傳統(tǒng)的依靠設計者的經(jīng)驗或者樣件試驗驗證方法向滿足自動化和性能優(yōu)化要求的多學科集成方法上轉(zhuǎn)變。多學科集成方法主要基于數(shù)學優(yōu)化技術(shù)，可以減少物理樣機試驗，而且達到產(chǎn)品要求性能的效率非常高。
現(xiàn)代汽車上扭梁懸架開發(fā)已經(jīng)朝著輕量化和高性能方向發(fā)展。輕量化不僅可以降低整車的質(zhì)量提高整車動力性，還可以降低后懸架簧下質(zhì)量提高懸架的響應速度，尤其后懸架在操縱穩(wěn)定性和舒適性方面對整車的影響非常大。多學科優(yōu)化方法本質(zhì)上是通過設計和優(yōu)化扭梁懸架使其滿足包括動力學性能、結(jié)構(gòu)強度等性能要求，見圖1。
圖1 扭梁懸架多學科聯(lián)合優(yōu)化
在汽車行業(yè)里為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期提高產(chǎn)品的競爭力，通過一個產(chǎn)品模型同時優(yōu)化這個產(chǎn)品的各方面性能變得越來越重要，而且發(fā)展速度也很快。扭梁懸架的設計過程中就要求同時滿足多方面的性能，像動力學特性、結(jié)構(gòu)強度特性等。但是現(xiàn)有的多學科共同設計方法耗時很長，因為不僅需要做許多重復工作還要手動更新每一個過程分析數(shù)據(jù)，效率非常低。由于數(shù)據(jù)量大手動傳遞結(jié)果數(shù)據(jù)還容易出現(xiàn)錯誤。通過統(tǒng)計表明自動化集成優(yōu)化要比手動每一個方面單獨優(yōu)化節(jié)省80%的時間。多學科集成優(yōu)化技術(shù)的本質(zhì)是模型數(shù)據(jù)在集成系統(tǒng)中每一個CAE分析軟件中被確認、傳遞和求解，最后經(jīng)過判斷得到滿足所有性能要求的優(yōu)化模型。本文以ADAMS分析結(jié)果為最終目標對某物理樣機扭梁懸架的主要性能部件一扭梁的厚度和外形進行設計優(yōu)化。
2 自動化設計分析
本文通過將手動設置設計分析過程自動化執(zhí)行使每個分析循環(huán)的總消耗時間縮短為22分鐘。因為每一個軟件部分都采用執(zhí)行批處理命令方式分析，檢查每部分分析的中間結(jié)果和參數(shù)也非常方便。
2.1 設計分析組成
2.1.1 CATIA三維設計
本文中對縱臂、彈簧座、減振器座、襯套座、輪轂連接板等對性能影響不大零件直接借用，對扭梁的厚度和外形在CATIA中進行重新設計。將扭梁分成中間段、過渡段和端部三部分，對中間段和過渡段分別進行參數(shù)化，通過修改參數(shù)以便生成不同的結(jié)構(gòu)。
圖2 CATIA三維設計
2.1.2 標準模態(tài)分析
扭梁懸架作為柔性體應用在結(jié)構(gòu)強度分析與K&C分析中，柔性體的生成需要使用Nastran軟件對扭梁有限元模型進行模態(tài)分析。通過平衡計算速度與精度來決定模態(tài)分析輸出的模態(tài)數(shù)量，見圖3。
圖3 標準模態(tài)分析
2.1.3 結(jié)構(gòu)強度分析
本文結(jié)構(gòu)強度分析工況采用側(cè)傾與側(cè)向力復合工況。在ADAMS/Car中用扭梁懸架柔性體模型進行復合工況的分析，確定最易破壞的位置和該位置節(jié)點最大應力，見圖4。
圖4 負荷工況結(jié)構(gòu)強度分析
2.1.4 K&C特性分析
扭梁懸架K&C特性使用ADAMS/Car進行分析。主要評價側(cè)傾、側(cè)向力和縱向力工況中的幾個關(guān)鍵參數(shù)，見圖5。
圖5 ADAMS K&C特性分析
2.2 設計分析自動化流程
本文使用Isight優(yōu)化分析軟件驅(qū)動上述設計分析軟件。流程中：①先由Catia生成扭梁幾何；②Hypermesh對扭梁幾何劃分網(wǎng)格并交由Nas tran進行模態(tài)分析，生成包含應力信息和剛度信息的模態(tài)中性文件；③ADAMS/Car利用上一步模態(tài)中性文件建模，進行側(cè)傾一側(cè)向力復合工況結(jié)構(gòu)強度分析；④ADAMS/Car中分析扭梁懸架的典型K&C工況。整個設計分析流程如圖6、圖7所示。
圖6 扭梁懸架自動化設計優(yōu)化流程
圖7 Isight集成優(yōu)化流程
3 優(yōu)化
本文以扭梁懸架的關(guān)鍵部件一扭梁的厚度和截面參數(shù)為變量，以扭梁懸架的強度特性、K&C特性為設計目標進行優(yōu)化。
3.1 扭梁懸架優(yōu)化目標
確定合適的影響扭梁懸架性能的設計目標在整個設計優(yōu)化流程中非常重要。設計目標確定不夠最后扭梁懸架的性能滿足不了要求，設計目標過多又會增加設計優(yōu)化流程的效率。因此本文選擇扭梁懸架的8個重要的設計目標作為優(yōu)化目標。
(1)最大應力（最小）
(2)側(cè)傾中心高（≤上限值）
(3)底盤側(cè)傾剛度（下限值≤目標值≤上限值）
(4)側(cè)傾前束梯度（左側(cè)車輪：最大）
(5)側(cè)傾外傾梯度（左側(cè)車輪：最大）
(6)側(cè)向力前束梯度（左側(cè)車輪：最大）
(7)側(cè)向力外傾梯度（左側(cè)車輪：最大）
(8)質(zhì)量（最小）
3.2 扭梁懸架優(yōu)化參數(shù)
本文選擇扭梁懸架中扭梁厚度和中間段、過渡段的形狀參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)進行優(yōu)化。中間段的形狀參數(shù)包括扭梁兩層鋼板的最小間隙、扭梁鋼板的各部分尺寸，過渡段的形狀參數(shù)包括過渡段中間截面尺寸、過渡段引導線形狀，見圖8所示。
圖8 扭梁優(yōu)化參數(shù)
3.3 優(yōu)化結(jié)果
本文設計優(yōu)化后扭梁懸架應力滿足結(jié)構(gòu)強度要求，K&C特性滿足動力學要求。
圖9 優(yōu)化數(shù)據(jù)分析
圖10 因素影響分析
圖11 優(yōu)化后最大應力從692.3Mp下降到545.6Mp
圖12 K&C特性優(yōu)化后結(jié)果
4 結(jié)論
本文對某物理樣機扭梁后懸架進行了設計優(yōu)化，得到的結(jié)論如下：
1.通過自動化多學科集成設計優(yōu)化，大大降低了扭梁懸架的設計周期。
2.本文優(yōu)化流程扭使桿式懸架中扭梁參數(shù)的變化對懸架性能影響很容易明確。
3.扭梁設計參數(shù)優(yōu)化后懸架整體性能有明顯提高。
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