汽车多材料控制臂拓扑优化方法

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.07.016

摘要/Abstract

摘要：

为进一步提高汽车控制臂轻量化水平，提出了一种壳/填充结构多材料拓扑优化方法。采用两组设计变量建立材料插值模型：对第1组设计变量进行两步滤波，利用归一化密度梯度范数将壳区域与填充区域分离；第2组设计变量用于分配填充区域多种材料。为避免填充材料过度聚集，通过映射函数的隐式方法将局部体积约束扩展为多材料填充问题。控制臂优化算例结果表明，材料插值模型能有效识别壳特征和实现局部体积约束，控制臂主体质量较原钢制控制臂减轻13.2%，转向和制动工况下应力水平分别降低55.0%和39.7%，获得较好的轻量化效果。

关键词: 汽车控制臂, 轻量化设计, 多材料拓扑优化, 壳/填充结构, 局部体积约束

Abstract:

In order to further reduce the mass of vehicle control arm， a multi?material topology optimization method for shell/filler structure is proposed. Two groups of design variables are adopted to establish the material interpolation model， in which a two?step filtering is conducted on the first group of design variables and the normalized density gradient norms are used to separate shell region and filler region， while the second group of design variables are used for the assignment of multi?material in filler region. To avoid over aggregation of infill material， the local volume constraint is extended to the issue of multi?material filling by implicit mapping function. The results of calculation example of control arm optimization indicate that the material interpolation model can effectively identify the feature of shell and achieve local volume constraints， the mass of the main part of control arm is 13.2% less than the original steel counterpart， and the stress levels in steering and braking conditions are reduced by 55.0% and 39.7%， respectively， getting a better result of lightweighting.

Key words: automotive control arm, lightweight design, multi?material topology optimization, shell/filler structure, local volume constraint

陈潇凯,李超,白影春,杨子发. 汽车多材料控制臂拓扑优化方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(7): 1088-1095.

Xiaokai Chen,Chao Li,Yingchun Bai,Zifa Yang. Multi⁃material Topology Optimization of Automotive Control Arm[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(7): 1088-1095.

图/表 18

图 1

图 2

表 1

极限情况下材料插值规律"

材料	φ₁	φ₂	$? φ ? 1 α ˉ$
无材料	0	0	0
材料A	1	0	0
材料B	1	1	0
材料C	任意	任意	1

表 1

图 3

图 4

图 5

图 6

表 2

图 7

图 8

图 9

图 10

表 3

图 11

图 12

表 4

图 13

图 14

参考文献 12

1	CLAUSEN A， AAGE N， SIGMUND O. Topology optimization of coated structures and material interface problems［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2015， 290： 524-541.
2	CHU S， XIAO M， GAO L， et al. Topology optimization of multi⁃material structures with graded interfaces［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2019， 346： 1096-1117.
3	WU J， CLAUSEN A， SIGMUND O. Minimum compliance topology optimization of shell⁃infill composites for additive manufacturing［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2017， 326： 358-375.
4	LUO Y F， LI Q H， LIU S T. A projection⁃based method for topology optimization of structures with graded surfaces［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2019， 355： 94-112.
5	YOON G H， YI B. A new coating filter of coated structure for topology optimization［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2019， 60： 1527-1544.
6	FU J J， LI H， GAO L， et al. Design of shell⁃infill structures by a multiscale level set topology optimization method［J］. Computers and Structures， 2019， 212： 162-172.
7	WADBRO E， NIU B. Multiscale design for additive manufactured structures with solid coating and periodic infill pattern［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2019， 357： 112605.
8	LAZAROV B S， SIGMUND O. Filters in topology optimization based on Helmholtz⁃type differential equations［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2011， 86： 765-781.
9	白影春，景文秀. 基于滤波/映射边界描述的壳-填充结构多尺度拓扑优化方法［J］. 机械工程学报，2021，57（4）：121-129.
	BAI Y C， JING W X. Multiscale topology optimization method for shell⁃infill structures based on filtering/projection boundary description［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2021， 57（4）：121-129.
10	WANG F， LAZAROV B S， SIGMUND O. On projection methods， convergence and robust formulations in topology optimization［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2011， 43： 767-784.
11	DOU S. A projection approach for topology optimization of porous structures through implicit local volume control［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2020， 62： 835-850.
12	GAY A， ROCHE J M， LAPEYRONNIE P， et al. Non⁃destructive inspection of initial defects of PA6.6-GF50/aluminum self⁃piercing riveted joints and damage monitoring under mechanical static loading［J］. International Journal of Damage Mechanics， 2017， 26（8）： 1127-1146.

材料	E/GPa	ν	ρ/（g·cm^-3）	屈服强度/MPa
热轧双相钢BR650	210.0	0.30	7.90	650
PA6.6-GF50	31.2	0.17	1.84	520

工况	受力位置	F_x/N	F_y/N	F_z/N	M_x/ （N·mm）	M_y/ （N·mm）	M_z/ （N·mm）
转向工况	外点	-994	10 678	1 142	0	0	0
	前点	1 102	-12 102	-1 226	42 023	435	11 434
	后点	-108	1 421	101	30 223	-12 526	2 029
制动工况	外点	10 854	-2 256	406	0	0	0
	前点	-5 558	13 917	847	42 446	16 623	-37 652
	后点	-5 296	-11 665	-1 236	-15 944	7 765	4 050

工况	原型控制臂		多材料控制臂
工况	最大变形/mm	最大应力/MPa	最大变形/mm	最大应力/MPa	最大变形量降低/%	最大应力降低/%
转向	0.5	282	0.3	127	40.0	55.0
制动	1.7	700	1.2	422	29.4	39.7

[1]	段利斌,周华锦,杜展鹏,张雨,徐伟,刘星,江浩斌. 基于SHCA-T算法的车身骨架多工况耐撞性优化设计[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 304-312.
[2]	李泽阳,刘钊,朱平. 注塑短纤维增强复合材料汽车尾门内板轻量化设计[J]. 汽车工程, 2022, 44(5): 789-798.
[3]	马芳武,王卓君,杨猛,梁鸿宇,武振江,蒲永锋. 汽车后副车架轻量化概念设计方法研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(5): 776-783.
[4]	夏丁,邸曙升,潘林,赵志新,陆劲昆,张建,吴昌生. 基于侧碰耐撞性的B柱轻量化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 248-252.
[5]	陈静, 彭博, 王登峰, 唐傲天, 陈书明. 碳纤维增强复合材料电池箱轻量化设计^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(2): 257-263.
[6]	徐建全, 杨沿平. 纯电动汽车与传统汽车轻量化全生命周期多目标优化研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(8): 885-891.
[7]	李泽阳, 刘钊, 朱平. 两步式约束粒子群优化算法及其在新能源汽车轻量化设计中的应用^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(1): 91-95.
[8]	王震虎，王万林，张松波，尹双，李落星. 基于车身概念模型的白车身主断面尺寸优化[J]. 汽车工程, 2018, 40(8): 904-911.
[9]	王登峰，蔡珂芳，马明辉，张帅. 基于隐式参数化模型的白车身轻量化设计[J]. 汽车工程, 2018, 40(5): 610-616.