基于多目标的某铝合金减振器塔优化设计

阚洪贵，赵震，鲁后国

基于多目标的某铝合金减振器塔优化设计

阚洪贵，赵震，鲁后国

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230000）

多学科设计优化重点在于要充分兼顾不同学科之间的相互耦合作用，通过有效协调不同学科之间的耦合因素的差异来达到整个系统问题的最优化设计。文章基于某车型铝合金减振器塔，通过多学科优化设计的思路，重点论述了铝合金减振器塔多目标（强度、刚度、模态）优化过程，并最终达成了多目标要求。

多学科设计优化；多目标；铝合金减振器塔；强度；刚度；模态

引言

多目标多学科优化设计不是一个具体的数学算法，它是一种解决问题的方法论，能够解决多学科综合问题的一种有效方法。多学科设计优化重点在于要充分兼顾到不同学科之间的相互耦合作用，通过有效协调不同学科之间的耦合因素的差异来达到整个系统问题的最优化设计[1]。

1 铝合金减振器塔多学科性能优化

本文铝合金减振器塔多学科优化的约束为各个子模型的性能指标，目标为能够反映所有变量的子模型的质量，各子系统保留独立的设计目标和设计变量，不涉及系统变量，采用并行子空间的多学科优化算法[2]。铝合金减振器塔的详细结构设计阶段，需要确定合理准确的结构厚度，在性能满足设计要求的前提下，实现重量最小。基于铝合金减振器塔的初始设计参数，重点考虑其单件性能设计满足白车身整体刚度、模态性能以及单件的强度性能，以铝合金减振器塔的重量为目标，以不同区域厚度为设计变量，完成了铝合金减振器塔各个性能、重量的多学科优化设计。

1.1 铝合金减振器塔初始模型

初始模型如图1所示，参考以往车型铝合金减振器塔设计，将铝合金减振器塔初始模型大体分成主体结构和局部加强结构，初步确定了铝合金减振器塔各个部分的初始厚度。主体结构主要包括三个部分：主体框架结构如图2(a)所示，初始厚度1为3.5 mm；局部加强结构如图2(b)所示，三个区域初始厚度2、3、4均为6 mm。初始状态下模型质量为3.737 kg。

图1 铝合金减振器塔初始模型

图2 铝合金减振器塔各部分结构

由实验测试得到减振塔结构存在五种极限工况（如下表1所示），对原结构静力学分析得到每个工况下加载点的位移和结构整体一阶模态频率，作为拓扑优化过程中刚度约束指标。

表1 典型工况载荷表

工况加载点加载方式 Fx/NFy/NFz/NMx/（N/mm）My/（N/mm）Mz/（N/mm） 工况1front−65.0483.0−300.0−12 546.0533.01501.0 middle−504.01 507.06 987.0−987.0−448.021.0 behind−132.02 753.0−1 678.0−12 550.0488.01 425.0 工况2front−162.043.0−4.0−9 891.0−747.0−821.0 middle−503.01 716.08 649.0−1 567.01 111.0−316.0 behind−115.0−1 662.0982.0−9 884.0−657.0−669.0 工况3front5.0127.0−2.06 660.0-23.0596.0 middle−259.0629.03 544.01 504.0-730.0240.0 behind5.0901.020.06 660.0−23.0599.0 工况4front−1 284.02 294.0−793.0−6 348.0−1 518.0−3 575.0 middle−787.01 488.07 256.0−1 366.0−4 139.0707.0 behind−1 229.0−582.0333.0−6 253.0−741.0−1 581.0 工况5front−636.01 285.0−278.0−2 690.0−313.0−1054.0 middle−333.01 277.06 570.0−304.01 489.0−307.0 behind−623.0350.0−31.0−2 675.0−230.0−736.0 左前加载点坐标（left front）：（−153.925，−504.600,490.301） 左中加载点坐标（left middle）：（−47.100，−525.300,579.900） 左后加载点坐标（left behind）：（65.825，−504.500,479.799）

1.2 铝合金减振器塔塔强度性能分析

铝合金减振器塔是重要的前悬安装点，首先对该模型的强度性能进行了有限元分析确认。基于整车工况，单件强度分析包括垂直2.5，右转弯1，左转弯1，制动1和静止起步共五个工况。铝合金减振器塔材料屈服强度为220 MPa，强度性能要求安全系数大于1。铝合金减振器塔强度分析模型如图3所示。

利用MSC公司的NASTRAN软件对铝合金减振器塔的初始模型进行了强度性能分析，分析得到左转弯1工况应力最大为155 MPa，如图4所示，安全系数为1.42，满足强度性能。基于强度性能，铝合金减振器塔初始厚度设计针对其轻量化设计存在可优化空间。

图3 铝合金减振器塔模态强度性能分析模型

图4 铝合金减振器塔左转弯1g工况

1.3 集成铝合金减振器塔的白车身刚度分析

针对铝合金压铸减振器的刚度要求必须优于钢制件的刚度，其刚度性能是通过对白车身整体刚度的贡献进行评估的，具体要求采用铝合金减振器塔的白车身整体刚度性能不能低于钢制减振器的白车身整体刚度，原始白车身弯曲刚度和扭转刚度分别为18 000 N/mm和25 000 Nm/deg。白车身弯曲刚度模型和扭转刚度模型，如图5所示。

图5 集成铝合金减振器塔的白车身刚度分析模型

利用MSC公司的NASTRAN软件对铝合金减振器塔的初始模型进行了刚度性能分析，分析得到白车身弯曲刚度和扭转刚度分别为18 510 N/mm和26 400 Nm/deg。减振器初始方案，单件刚度增加，同时作为加载点和约束点，局部变形减小，整体刚度提升。基于白车身整体刚度性能，铝合金减振器塔初始厚度设计存在优化空间。

1.4 集成铝合金减振器塔的白车身模态性能分析

针对铝合金压铸减振器的刚度要求，同时还要确保其刚度性能不能影响白车身的模态性能，具体要求采用铝合金减振器塔的白车身模态性能不能低于钢制减振器的白车身模态，原始白车身的基频、一阶扭转、一阶弯曲模态分别为31.2 Hz、36.3 Hz、46.1 Hz。白车身模态分析模型，如图6所示。

图6 白车身模态分析模型

利用MSC公司的NASTRAN软件对铝合金减振器塔的初始模型进行了刚度性能分析，分析得到原始白车身的基频、一阶扭转、一阶弯曲模态分别为31.4 Hz、36.4 Hz、46.5 Hz。白车身模态性能变化较小。

1.5 铝合金减振器塔的多学科优化设计

针对铝合金减振器塔的强度性能、白车身弯曲刚度性能、白车身扭转刚度模型、白车身模态模型，构建了多学科四个子系统模型，多学科优化采用altair的多学科优化MDO模块完成，该模块可以可视化定义模型和自动关联变量，完成多学科优化分析的流程化。多学科优化集成四个性能模型如图7所示。

图7 白车身模态分析模型

四个分析模型中均包括了铝合金减振器塔的四个厚度变量1，2，3，4，不同模型间相同变量进行了相等关联，即后三个模型中的变量均等于第一个模型的变量，整个优化过程中只有4个独立变量，变量关联定义如图8所示。

图8 变量关联定义

铝合金减振器塔塔设计变量的初始值和范围如表2所示。

表2 铝合金减振器塔塔设计变量初始值和范围

设计变量初始值下限上限 t1/mm3.535 t2/mm637 t3/mm637 t4/mm637

表3 铝合金减振器塔性能优化前后对比

性能要求分析工况初始设计优化解性能要求 重量模型重量/kg3.7373.153 强度安全系数（1）1.421.1＞1 弯曲刚度刚度/(N/mm)18 51018 410＞18 000 扭转刚度刚度/(Nm/deg)26 40026 200＞25 000 白车身模态基频/Hz31.431.4＞30 一阶扭转/Hz36.436.3＞35 一阶弯曲/Hz46.546.4＞45

针对优化过程本文都采用基于响应面的全局优化方法，系统级优化中总共经过50次迭代得到最优解，变量1，2，3，4分别为3.5 mm，4 mm，4 mm和6 mm。经过协同优化后，铝合金减振器塔的系统和子系统级性能指标如表3所示，减振器各个性能要求满足目标，铝合金减振器塔重量由3.737 kg降低到了3.153 kg，减重比重为15.6 %，较好地实现了结构轻量化设计。由此可见，该方法的应用很好地实现了铝合金减振器塔多性能的集成设计，同时有效实现了后期铝合金减振器塔塔结构的轻量化设计。

2 结论

本文基于某车型铝合金减振器塔，通过多学科优化设计的思路，重点论述了铝合金减振器塔多目标（强度、刚度、模态）优化过程，优化过程中性能设计和重量之间往往存在冲突，多学科优化设计的出现为实现满足各个性能前提下的重量最小化设计提供了有效的解决方法。基于铝合金减振器的初始设计参数，重点考虑其单件性能设计满足白车身整体刚度、模态性能以及单件的强度性能，以铝合金减振器的重量为目标，以不同区域厚度为设计变量，完成了铝合金减振器各个性能、重量的多学科优化设计，有效实现了后期铝合金减振器的轻量化设计。

[1] 秦东晨,王丽霞,张珂,等.汽车车身的多学科优化设计(MDO)研究[J].现代机械,2004(05):4-6.

[2] 屈翔,游四海,贾秋红.多学科优化设计及其在汽车设计中的应用[J].重庆工学院学报,2006(20):26-27.

Optimization Design of an Aluminum Slloy Shock Absorber Tower Based on Multi-Objective

KAN Honggui, ZHAO Zhen, LU Houguo

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230000 )

Multidisciplinary design optimization focuses on giving full consideration to the mutual coupling between different disciplines, and achieving the optimal design of the whole system problem by effectively coordinating the differences of coupling factors between different disciplines. Based on a certain type of aluminum alloy shock absorber tower, this paper focuses on the multi-objective optimization process (strength, stiffness, mode) of aluminum alloy shock absorber tower through multidisciplinary optimization design ideas, and finally achieves the multi-objective requirements.

Multidisciplinary design optimization;Multiple target;Aluminum alloy shock absorber tower;Strength; Stiffness; Mode

A

1671-7988(2021)22-56-04

U463.213

A

1671-7988(2021)22-56-04

CLC NO.: U463.213

阚洪贵（1983—），男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，主要从事车体设计和研发工作。

复杂薄壁压铸铝合金零部件成形与应用关键共性技术研究项目（2016 YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.014