汽车后副车架轻量化概念设计方法研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.05.018

摘要/Abstract

摘要：

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%。

关键词: 概念设计, 参数化建模, 后副车架, 轻量化设计

Abstract:

In the conceptual design stage of automotive structure， an integrated structure?material?performance optimization is achieved by combining topology optimization technology and parametric modeling with the section shape control method introduced in this paper. Firstly， a comprehensive objective topology optimization is conducted on rear subframe. Secondly， an implicit parametric model of rear subframe is constructed， and by adopting the cross?sectional shape control method， 36 parameters such as part shape， position， thickness and material etc. are selected as design variables， a multi?objective optimization is carried out on the model topologically optimized， with minimizing mass and maximizing the first?order modal frequency as objectives and the hard?points stiffness and the first?three?order modal frequencies as constraints. The results show that on the premise of meeting the performance objective of rear subframe， its mass reduces by 2.41 kg， achieving a lightweighting rate of 14.5%.

Key words: conceptual design, parametric modeling, rear subframe, lightweight design

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图/表 22

图 1

表1

后副车架材料属性"

材料

密度

$ρ / (k g · m m - 3)$

泊松比

$μ$

弹性模量

$E / M P a$

屈服强度

$σ s / M P a$

S550MC

7.85×10^-6

0.3

2.1×10⁵

550

表1

表2

图 2

图 3

表3

表4

图 4

图 5

图 6

表5

表6

表7

表8

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表9

表10

参考文献 21

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工况名称	重要程度	权重系数
垂向工况	重要	0.2
前行制动工况	重要	0.2
倒车制动工况	一般	0.1
左转弯工况	较重要	0.15
右转弯工况	较重要	0.15
过坎工况	重要	0.2

硬点位置	方向	刚度值/ （N·mm^-1）	设计目标/ （N·mm^-1）
左侧上摆臂内点连接点	X	10 300.47	6 800
	Y	70 839.34	38 000
	Z	58 366.38	40 000
左侧横拉杆内点连接点	X	14 592.99	12 000
	Y	118 645.58	76 000
	Z	79 901.88	50 000
左侧与稳定杆连接点	X	15 668.37	10 000
	Y	24 498.50	18 000
	Z	24 297.04	18 000
左侧下摆臂内点连接点	X	5 156.69	4 500
	Y	99 586.02	71 000
	Z	12 069.43	8 600
右侧上摆臂内点连接点	X	10 349.61	6 800
	Y	71 529.73	38 000
	Z	58 046.86	40 000
右侧横拉杆内点连接点	X	14 555.93	12 000
	Y	118 363.81	76 000
	Z	81 149.66	50 000
右侧与稳定杆连接点	X	15 512.51	10 000
	Y	24 568.74	18 000
	Z	24 124.35	18 000
右侧下摆臂内点连接点	X	5 051.67	4 500
	Y	101 272.22	71 000
	Z	12 104.41	8 600

阶次	频率/Hz	振型描述	设计目标频率/Hz
1	138.8	1阶扭转	105
2	234.2	1阶弯曲	200
3	246.2	弯曲	220

序号	变量种类	初始值	变化范围
DV1	前横梁形状	0	-10~5
DV2	前横梁Ⅰ宽度	0	-5~5
DV3	前横梁Ⅱ宽度	0	-5~5
DV4	前横梁上端高度	0	-5~5
DV5	前横梁下端高度	0	-5~5
DV6	前横梁Ⅰ厚度	3.2	1.5~3.5
DV7	前横梁Ⅱ厚度	3.2	1.5~3.5

序号	变量种类	初始值	变化范围
DV8	摆臂连接板高度	0	0~10
DV9	摆臂连接板厚度	3	1.5~3.5
DV10	摆臂连接板加强板Ⅰ位置	0	-5~15
DV11	摆臂连接板加强板高度	0	-10~10
DV12	摆臂连接板加强板Ⅰ厚度	2.5	1.5~3.5
DV13	摆臂连接板加强板Ⅱ厚度	2.5	1.5~3.5