利用OptiStruct進行汽車懸架系統(tǒng) 輕量化設(shè)計并提高其耐久性

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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項目介紹

后扭轉(zhuǎn)梁(RTB)懸架系統(tǒng)通常用于 A、B 和越來越多的 C 級車,其優(yōu)點在于制造成本低,包裝要求小,與汽車操控性能有良好的兼容性。

除了需要滿足一定的剛度和耐久性要求,當其彈性運動學(xué)特性也被納入考慮范圍時,RTB 的設(shè)計就變得困難。目前,采用實驗設(shè)計(DOE)和優(yōu)化方法來探索可用的設(shè)計空間,同時減輕 RTB 的重量并降低設(shè)計成本是可行的方案。

Gestamp 公司是全球性的底盤零部件供應(yīng)商,其客戶包括福特、大眾、寶馬和本田。它在英國、西班牙和德國設(shè)有技術(shù)中心,不斷擴大的全球業(yè)務(wù)促使其需要不斷地開發(fā)低成本,高容量的底盤產(chǎn)品。基于對零部件的質(zhì)量和成本(與質(zhì)量密切相關(guān))的考慮, Gestamp 公司與其客戶從 2005 年開始引入 Altair 公司的優(yōu)化驅(qū)動設(shè)計理念。

通過形狀優(yōu)化,形成了成本相對較低的 “U”形設(shè)計,既滿足 RTB 設(shè)計的剛性目標,又降低了反相滾動負載情況下關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力,從而提高了耐久性。

如今,這個耐久性要求已被確定為這種類型 RTB 設(shè)計的主要指標之一。

挑戰(zhàn)

一個“U”形的 RTB 設(shè)計通常需要考慮幾個相互關(guān)聯(lián)的目標。限定主要結(jié) 構(gòu)部件形狀的兩個關(guān)鍵目標是側(cè)傾剛度和側(cè)傾轉(zhuǎn)向。二者都受到扭轉(zhuǎn)元件(RTB 的橫向構(gòu)件)形狀、位置、截面參數(shù)的影響。

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解決方案

Gestamp 公司選擇 Altair 開發(fā)的一套自定義工具,簡稱為“RTB 工具箱”,它可以用來指導(dǎo)最初的 RTB 概念設(shè)計, 使其一些參數(shù)符合運動學(xué)和法規(guī)(K&C)的要求,如側(cè)傾剛度和側(cè)傾轉(zhuǎn)向,從而消除初始“反復(fù)試錯”的設(shè)計循環(huán)。
該軟件使用高性能前處理器 HyperMesh 在 RTB 裝配體的每個組件中創(chuàng)建外形設(shè)計變量,HyperStudy 用于設(shè)置實驗設(shè)計(DOE),通過 DOE 可以得到每一個設(shè)計變量對于響應(yīng)的靈敏度,另外 DOE 可以為后續(xù)響應(yīng)面的創(chuàng)建提供
數(shù)據(jù)點,最終的優(yōu)化設(shè)計將基于響應(yīng)面進行。

設(shè)計過程的下一階段是建立從優(yōu)化工具箱輸出的 CAD 模型。這個模型滿足耐久性要求和強度標準。經(jīng)過多個客戶項目驗證,反相滾動耐用性負載顯著影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在實驗中,相對的垂直位移被施加到一個 RTB系統(tǒng)的車輪中心,以模擬車輛轉(zhuǎn)彎的重復(fù)循環(huán)載荷。一般來說,側(cè)傾剛度增加,疲勞性能降低。耐久性分析和先前實驗所得的經(jīng)驗可以定義關(guān)鍵位置焊縫的應(yīng)力極限(例如本例中加強件與扭轉(zhuǎn)件之間)。這兩個部件的關(guān)系對側(cè)傾剛度和疲勞壽命有顯著影響。加強筋的長度和扭轉(zhuǎn)元件截面形狀的組合形狀優(yōu)化可以得到一個最優(yōu)解,從而在滿足耐久性與剛度的條件下,最大限度地減輕質(zhì)量。經(jīng)過與多個類似產(chǎn)品的對比,表明 OptiStruct 是一個用于開發(fā)設(shè)計的強大工具。

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“RTB 工具箱”的發(fā)展大大減少了項目初期概念設(shè)計時的時間。這個工具箱設(shè)計方法的另一個好處是 DOE 的使用。這些研究在快速得到以各種 K&C 目標,包括裝配體內(nèi)各部件的形狀的靈敏度方面極具價值。

OptiStruct 提供的優(yōu)化能力被廣泛應(yīng)用于調(diào)整該工具箱輸出的設(shè)計,并使其最終滿足耐久性要求同時確保滿足K&C 性能要求,扭轉(zhuǎn)原件邊緣的局部形狀優(yōu)化也成功地用于生成不同水平側(cè)傾剛度的設(shè)計中。

結(jié)論

采用“U”形截面設(shè)計的 RTB 扭轉(zhuǎn)元件通常被看作是一個簡單的、低成本的解決方案。然而,當材料厚度大于6mm,有時為了滿足性能目標,使用昂貴的“擠壓管”式的扭轉(zhuǎn)元件,該元件與“U”形截面扭轉(zhuǎn)原件相比,明顯要重的多。

Gestamp 公司已經(jīng)認識到通過 “U”形截面的設(shè)計優(yōu)化從而減少質(zhì)量的潛力,HyperWorks 中的“RTB 工具箱” 可以快速的創(chuàng)建符合 K&C 目標的一個 RTB 幾何體,消除最初的“反復(fù)試錯”的設(shè)計循環(huán)。對彈性元件和加強件的形狀進行了優(yōu)化,盡量減輕重量,同時滿足耐久性要求。通過這個過程,Gestamp 公司可以更好更快的設(shè)計出具有市場競爭力的輕質(zhì)、低成本的 RTB 結(jié)構(gòu)。

Gestamp 公司 RTB 設(shè)計開發(fā)過程的下一步計劃包括:

· 考慮諸如硬點位置、彈簧等外部因素從而確定一個更加優(yōu)化的解決方案。MotionSolve 將用于此過程。

· 權(quán)衡各種設(shè)計變量以確定哪些變量微小的變化可以導(dǎo)致重量的大幅度降低。