利用OptiStruct進(jìn)行汽車懸架系統(tǒng) 輕量化設(shè)計(jì)并提高其耐久性

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

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項(xiàng)目介紹

后扭轉(zhuǎn)梁(RTB)懸架系統(tǒng)通常用于 A、B 和越來(lái)越多的 C 級(jí)車,其優(yōu)點(diǎn) 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(dāng)其彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性也被納入考慮范圍時(shí),RTB 的設(shè)計(jì)就變得困難。目前,采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)和優(yōu)化方法來(lái)探索可用的設(shè)計(jì)空間,同時(shí)減輕 RTB 的重量并降低設(shè)計(jì)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(guó)、西班牙和德國(guó)設(shè)有技術(shù)中心,不斷擴(kuò)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(duì)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(dòng)設(shè)計(jì)理念。

通過形狀優(yōu)化,形成了成本相對(duì)較低的 “U”形設(shè)計(jì),既滿足 RTB 設(shè)計(jì) 的剛性目標(biāo),又降低了反相滾動(dòng)負(fù)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(gè)耐久性要求已被確定為這種類型 RTB 設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一。

挑戰(zhàn)

一個(gè)“U”形的 RTB 設(shè)計(jì)通常需要考慮幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。限定主要結(jié) 構(gòu)部件形狀的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)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(jiǎn)稱為“RTB 工具箱”,它可以用來(lái)指導(dǎo)最初的 RTB 概念設(shè)計(jì), 使其一些參數(shù)符合運(yùn)動(dòng)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(cuò)”的設(shè)計(jì)循環(huán)。
該軟件使用高性能前處理器 HyperMesh 在 RTB 裝配體的每個(gè)組件中創(chuàng)建外形設(shè)計(jì)變量,HyperStudy 用于設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE),通過 DOE 可以得到每一個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)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(diǎn),最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)將基于響應(yīng)面進(jìn)行。

設(shè)計(jì)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(gè)模型滿足耐久性要求和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多個(gè)客戶項(xiàng)目驗(yàn)證,反相滾動(dòng)耐用性負(fù)載顯著影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)中,相對(duì)的垂直位移被施加到一個(gè) 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(lái)說(shuō),側(cè)傾剛度增加,疲勞性能降低。耐久性分析和先前實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)可以定義關(guān)鍵位置焊縫的應(yīng)力極限(例如本例中加強(qiáng)件與扭轉(zhuǎn)件之間)。這兩個(gè)部件的關(guān)系對(duì)側(cè)傾剛度和疲勞壽命有顯著影響。加強(qiáng)筋的長(zhǎng)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(gè)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(gè)類似產(chǎn)品的對(duì)比,表明 OptiStruct 是一個(gè)用于開發(fā)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具。

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“RTB 工具箱”的發(fā)展大大減少了項(xiàng)目初期概念設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)間。這個(gè)工具箱設(shè)計(jì)方法的另一個(gè)好處是 DOE 的使用。這些研究在快速得到以各種 K&C 目標(biāo),包括裝配體內(nèi)各部件的形狀的靈敏度方面極具價(jià)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(jì),并使其最終滿足耐久性要求同時(shí)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(jì)中。

結(jié)論

采用“U”形截面設(shè)計(jì)的 RTB 扭轉(zhuǎn)元件通常被看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的、低成本的解決方案。然而,當(dāng)材料厚度大于6mm,有時(shí)為了滿足性能目標(biāo),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(rèn)識(shí)到通過 “U”形截面的設(shè)計(jì)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(biāo)的一個(gè) RTB 幾何體,消除最初的“反復(fù)試錯(cuò)”的設(shè)計(jì)循環(huán)。對(duì)彈性元件和加強(qiáng)件的形狀進(jìn)行了優(yōu)化,盡量減輕重量,同時(shí)滿足耐久性要求。通過這個(gè)過程,Gestamp 公司可以更好更快的設(shè)計(jì)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)、低成本的 RTB 結(jié)構(gòu)。

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

· 考慮諸如硬點(diǎn)位置、彈簧等外部因素從而確定一個(gè)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(jì)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。