某中卡驾驶室前悬置的拓扑优化设计

陈小华

摘 要：本文旨在通過某中卡驾驶室前悬置的结构优化设计过程，阐述如何在给定空间，根据车辆结构的使用要求寻找出其材料的最佳布局方式，从而使车辆结构最大限度地实现轻量化。 传统结构优化设计过程大致为假设-分析-校核-重新设计，有时这个过程需要重复多次，很难找出最佳设计方案，用材裕度一般较大。本文前悬置的结构优化设计中，直接优化出其结构材料的最佳布局从而实现前悬置的轻量化。其优化设计方法过程如下：确定前悬置相关的极限强度工况（七种）和安全法规要求的前拍工况，运用多体软件建立中卡整车模型，分析提取极限强度工况载荷；建立驾驶室前拍工况模型，计算提取前拍工况载荷；建立前悬置的优化模型，施加前面提取的工况载荷，以优化设计区域密度作为优化设计变量，把各工况下的计算应力和体积作为响应，把材料屈服强度作为约束边界，以体积最小作为优化目标进行优化分析，从而得出前悬置结构材料的最佳布局方式。根据优化结果，设计人员设计出的样件一次性通过了实际强度试验验证和碰撞安全前拍工况的摸底试验，这一优化方法大大地缩短了前悬置结构的开发周期和试验时间，也节省了开发试验费用。也说明CAE技术在产品概念开发和产品设计阶段具有重要的指导参考作用。

关键词：前悬置 轻量化 多工况 拓扑优化

Topology Optimization Design of Front Mounting of a Medium Truck Cab

Chen Xiaohua

Abstract：This paper aims to explain how to find the best layout of the material according to the use requirements of the vehicle structure in a given space through the structural optimization design process of the front suspension of a medium-truck cab， so as to maximize the lightweight of the vehicle structure. The traditional structural optimization design process is roughly divided into  hypothesis， analysis， check， redesign. Sometimes this process needs to be repeated many times， and it is difficult to find the best design scheme， and the material margin is generally large. In the structural optimization design of the front suspension in this paper， the optimal layout of its structural materials is directly optimized to achieve the lightweight of the front suspension. The optimization design method process is as follows： to determine the ultimate strength working conditions related to the front suspension （seven types） and the front shooting conditions required by safety regulations， use multi-body software to establish the vehicle model of medium truck， and analyze and extract the load of the ultimate strength condition， and the model of the pre-cab shooting condition， and calculate the load of the extraction pre-shooting condition. The optimization model of the front suspension is established， the load of the working conditions extracted in front is applied， the density of the optimization design area is used as the optimization design variable， the calculated stress and volume under each working condition are taken as the response， the yield strength of the material is used as the constraint boundary， and the minimum volume is used as the optimization goal for optimization analysis， so as to obtain the optimal layout method of the pre-suspension structural material. According to the optimization results， the sample designed by the designer passed the actual strength test verification and the bottom test of the collision safety pre-shooting condition at one time， which greatly shortened the development cycle and test time of the front suspension structure， and also saved the development test cost. It also shows that CAE technology has an important guiding reference role in product concept development and product design stage.

Key words：front overhang， lightweight， multi-condition， topology optimization

1 绪论

汽车轻量化不仅会减少结构用材，而且会使整车动力性提高，制动安全距离缩短，燃油消耗率降低，同时降低尾气排放量，据统计车辆每减重10%，每百公里可节省燃油6%-8%，尾气排放量也相应减少7%左右[1]。

国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》，要求到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平[2]。为了应对更为严格的法规要求和响应国家节能环保需要，我们福田在汽车轻量化工作上进行攻难刻坚，开展了大量工作，如其中某中卡驾驶室前悬置的拓扑优化设计。

最初的汽车结构设计过程是设计-试制-测试，有时这一过程需要反复多次；当计算机辅助设计CAE技术得到广泛运用时，经过CAE虚拟验证分析，当分析结果不满足使用要求时，直接更改设计，直到CAE虚拟验证分析通过，才进行试制和测试，这一方式可以在很大程度上缩短产品开发周期，减少试制试验的次数和费用，但这一结构设计方法一般很难找出最佳结构设计方案。如果想进一步缩短产品开发周期，直接找出最佳结构设计方案，就需要用采用基于结构优化技术的结构设计方法，其过程大致可归纳为设计-CAE结构优化-试制-测试几个阶段。

下文所述某中卡驾驶室前悬置优化设计所采用的拓扑优化技术就属于结构优化的常用手段。下文将从以下几个方面对前悬置的拓扑优化设计进行论述：

（1）使用工况和边界载荷确定；（2）前悬置的拓扑优化设计；（3）实际试验验证；（4）结论。

2 边界载荷确定

2.1 确定使用工况

因中驾驶室前悬置（结构位置如下图1所示），是重要的承载安全件。在对其结构进行设计时，就需要充分考虑冲击、转弯、紧急制动、扭转等各种极限强度工况，因GB26512商用车安全法规要求，前悬置结构还需要考虑前拍、顶压工况。

2.2 整车多体模型的建立和强度工况载荷提取

整车多体模型的建立：运用多体动力学软件ADAMS CAR建立前、后悬架系统；柔性体车身、车架等关键子系统。

前后悬架：根据相应的悬架类型，选择相应的模板，建立前后悬架结构。

卡车类板簧悬架结构，需要先建立板簧，然后导入悬架模板；根据悬架的实际结构，修改模板硬点、衬套刚度、缓冲块刚度、缓冲块间隙、减振器极限长度及悬架零部件的质量，修订轮胎刚度及质量、轴距、质心高度、制动力分配等参数。然后进行校验，运行悬架平行轮跳，保证空载点和满载点的轴荷数据准确。

柔性体车身：白车身的柔性体模型应根据实际结构建立，附加车门、座椅、前风挡、内饰、仪表板等的附加质量，保证车身质心位置准确；如有车身的转动惯量参数，应调节模型的附加质量，使柔性体的转动惯量和提供的转动惯量参数尽量一致。

柔性体车架：车架柔性体建立时，应保证车架各连接点的位置准确，对于小质量点的附加质量，可以直接附加在车架柔性体上，而对于较大的附加质量，则应在多体模型中建立和固连，固连时应选择合适的有限元单元类型。输出柔性体后时，应对车架柔性体的前几阶模态值进行校验，保证输出的车架柔性体准确。

整车多体模型建立过程如下图2所示：

强度工况载荷提取：由图1可知，前悬置由铰接点处分为上下两部分，即前上悬置和前下悬置，且其结构呈左右对称状态，因而前悬置的优化需要考虑对称工况。极限强度工况分析时需要提取的强度工况有：（1）垂向冲击工况；（2）左转弯工况；（3）右转彎工况；（4）左前右后扭转工况；（5）右前左后扭转工况；（6）紧急制动工况；（7）急加速工况；

运用ADAMS CAR里的准静态分析工况和Testrig分析工况分别对左转弯工况、右转弯工况、紧急制动工况、急加速工况和垂向冲击工况、左前右后扭转工况、右前左后扭转工况一一进行分析求解，然后对各工况下悬置所受到的极限载荷进行提取，提取结果如表1、表2所示：

2.3 碰撞安全前拍模型的建立和载荷提取

请碰撞安全室相关人员协助提取驾驶室在被动安全前拍工况下前悬置所受到的极限载荷，图3为运用LS-dyna工具软件建立好的前拍模型。

根据国家法规GB26512要求，在对驾驶施加44.1KJ的初始碰撞能量拍击驾驶室前段时，司乘人员需要具有一定的生存空间，即前悬置有足够的强度，前拍工况中前悬置的应变不超过2%时，前悬置结构强度满足前拍工况要求。

模拟摆锤拍击驾驶室工况的方法，在摆锤绕上轴线向下旋转到和驾驶室前段刚好接触状态时，给摆锤施加一个初速度，此速度使摆锤的动能刚好为44.1KJ，然后进行高度非线性碰撞计算，模拟前拍工况前悬置和驾驶室的变形。

初速度计算公式：

摆锤对驾驶室前拍工况的分析计算结果如下图4所示，分析前悬置的最大应变量，当最大应变不超过2%时，提取前上悬置、前下悬置连接点的极限载荷。

前悬置在驾驶室前拍工况的载荷提取结果如表3所示：

下悬置连接点在前拍工况下极限载荷和表3类似，这里省略。

3 前悬置的拓扑优化设计

3.1 前悬置有限元优化模型的建立

根据上下悬置安装连接位置，上下悬置的铰接点，在其布局空间生成初步的包络体，然后把安装连接位置和悬置的铰接点区域从其他区域分割开，作为非优化设计区域，其他区域全作为优化设计区域，然后生成上、下悬置结构有限元网格模型，对安装连接点施加边界约束、把前面提取的强度极限工况和驾驶室前拍工况载荷，施加于悬置的铰接点，建立起前上、下悬置的有限元优化模型如下图5、图6所示：

3.2 结构的拓扑优化

目前拓扑优化所采用的主要算法有：均质化方法、相对密度法和进化结构优化法三种，因均质化方法在平面问题应用的较为广泛，进化结构优化法可以对结构贡献大的区域增加材料，而前上、下悬置可利用空间受限，所以采用相对密度法对前悬置结构进行优化。

相对密度法是一种常用的拓扑优化方法，其基本思想是不引入微结构，而是引入一种假想的相对密度在0～1之间可变的材料。它吸取了均质化方法中的经验和成果，直接假定设计材料的宏观弹性常量与其密度的非线性关系。其中应用的比较多的模型是SIMP （solid isot ropic microst ructure with penalization） 法，其基于最小柔度的优化模型如下[4]：优化时以单元的相对密度xe为拓扑设计变量，这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。

把上、下悬置材料ZG270_550密度设置为优化变量，把各工况下的计算应力和体积作为响应，材料的屈服强度作为边界约束条件，把体积最小作为优化目标进行优化计算，驾驶室前上、下悬置的拓扑优化结果密度等值云图如下图7、图8所示：

3.3 由优化结果设计前悬置结构

把优化结果生成OSSMooth模型，由设计人员根据OSSMooth模型轮廓，并结合结构加工工艺，重新设计出前悬置结构如图9、图10所示：优化前上、下悬置重量分别为21.8Kg和9.5Kg优化后降重至15.8Kg和6.8Kg，降重量分别达到27.5%和28.4%。优化后强度和刚度略有下降，但虚拟分析结果满足极限工况和被动安全的前拍工况使用要求。

3.4 优化设计结构虚拟验证分析

因极限强度工况载荷比碰撞安全前拍工况载荷小很多，因而只对前拍工况进行虚拟验证分析，把图3所示驾驶室前拍模型中的前悬置替换为拓扑优化设计结构，再进行前拍工况模拟分析，其应变分析结果如下图11所示，可见其强度满足使用要求。

4 试验验证

对经过拓扑优化设计的前悬置结构，制作了试验样件并通过了定远汽车试验场的可靠性坏路强化试验，随后在天津一次性通过了驾驶室前拍工况的摸底试验。本次通过对拓扑优化技术的运用，大大地缩短了前悬置结构的开发周期和试验时间。

5 结论

通过某中卡驾驶室前悬置的结构优化设计过程，论述了如何在给定空间，根据车辆结构的使用要求寻找出其材料的最佳布局方式，从而使车辆结构最大限度地实现轻量化。

汽车轻量化不仅会減少结构用材，而且会使燃油消耗率降低，同时降低尾气排放量，据统计车辆每减重10%，每百公里可节省燃油6%-8%，尾气排放量也相应减少7%左右[1]。国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》，提出了非常严格的降油耗要求，而传统结构优化设计通常以校核为目的，很难找出最佳设计方案，用材裕度较大。而此次前悬置的结构优化设计，避免了传统结构优化设计的弊端，采用了当前一系列的新技术手段，如多体载荷分解，多工况多约束边界组合，采用拓扑优化的方式，直接优化出驾驶室前悬置结构材料的最佳布局而实现了前悬置的轻量化设计。

根据优化结果，设计人员设计出的样件一次性通过了实际强度试验验证和碰撞安全前拍工况的摸底试验，这一优化方法大大地缩短了前悬置结构的开发周期和试验时间，也节省了开发试验费用。说明CAE中的拓扑优化技术可以作为产品结构轻量化设计的重要手段，同时也说明CAE技术在产品概念开发和产品设计阶段具有重要的指导参考作用。

参考文献：

[1]张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚琳．基于HyperWorks 的结构优化技术  北京.

机械工业出版社 2007.

[2]陈军．MSC.ADAMS技术与工程分析实例  北京 中国水利水电出版社 2008.

[3]陈家瑞. 汽车构造[M]，2004.