[发明专利]基于多体动力学和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法

说明书

技术领域

本发明涉及车辆工程、机械技术相关领域技术领域，具体地说，涉及一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，它特别适合在对在设计开发阶段或已经在产的各型汽车、工程机械等产品的底盘承载件进行整体或局部的轻量化优化设计。

 

背景技术

长期以来，我国的汽车设计一般采用经验和类比方法，而欧美和日本等国外公司经历了渐进发展，从粗放的经验设计和类比设计，经过静强度和疲劳强度可靠性设计，发展到了目前的以新材料和新工艺为基础的轻量化设计技术。

近年来，国外公司为了增加竞争力，进一步向轻量化方向发展，他们一般采用高强度材料，如TRIP钢材，铝合金及新型合金材料等，来实现整车轻量化，但这种做法大大增加了成本。

我国的汽车发展水平与国际先进水平仍存在较大的差距，结构过重造成的整车动力性能，燃油经济性能较差和成本较高的现象依旧突出。而大规模的使用新材料与我国相对落后的经济和市场状况不协调。因此有必要提出一种切实可行的，成本较低的轻量化技术。

为了顺应这种要求，在整车研发设计阶段，国内的众多汽车制造商有必要将传统的经验设计逐渐转变为具有严格的数学和力学基础的多体动力学—有限元辅助设计方法。这种方法能够在研发设计阶段较为搭建出整车的虚拟样机，可以较为真实的反映出整车的性能指标和零部件力学性能，同时易于修改和优化。而现在鲜有一种较好的可以解决上述问题的方法。

发明内容

本发明为了解决目前汽车设计中缺少明确可行的轻量化方法，汽车底盘件仍有较大减重空间的问题，提供一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型和对象零件有限元模型，

（2）选取多个典型工况，根据疲劳强度设计要求拟定极限载荷系数，计算车轮受力，并导入多体动力学模型，提取每个典型工况下对象零件的所受等效静载，

（3）将步骤（2）中提取的等效静载作为优化边界条件，根据对象车型的实际使用条件，计算每个典型工况的柔度，并选取每个典型工况的柔度加权系数，以加权总柔度为最小为目标函数，以模态和应力为约束函数进行拓扑优化，

（4）对于拓扑优化结果选取阈值，指导去除材料的位置。

本发明所述步骤（1）中，建立轻量化对象车型的整车多体动力学模型，包括如下步骤：

（1）首先应按照底盘悬架硬点坐标搭建前悬架和后悬架拓扑模型，并为悬架中各个零部件添加质量和转动惯量，悬架中各个零部件之间按不同的约束方式添加橡胶衬套连接或铰连接，添加橡胶衬套连接的位置需要设置衬套的刚度和阻尼参数，

（2）选取轮胎力学模型，使用UA模型，然后为轮胎模型添加轮胎几何参数，质量，转动惯量，刚度和阻尼参数，

（3）在轮胎模型和悬架模型之间添加铰连接，并在整车质心处建立刚性体，为刚性体添加整车质量和转动惯量，并将此刚性体连接到前后悬架的弹簧和减震器上。

本发明所述步骤（1）中，建立优化对象零件有限元模型，所述的对象零件为副车架，建立有限元模型时首先对后副车架划分单元网格，然后添加材料属性，并进行约束。

本发明所述步骤（2）中，所述的典型工况包括不平路面工况、转弯工况和制动工况。

本发明所述步骤（3）中，每个典型工况的柔度                                                ，其中，为位移矩阵；为作用力矩阵；为刚度矩阵。

本发明所述步骤（3）中，所述不平路面工况的的柔度加权系数大于0.5。

本发明所述步骤（3）中，以一阶模态不下降，应力增加量小于5%作为约束函数，对优化对象有限元模型进行拓扑优化迭代，得到拓扑优化等密度图。

本发明所述步骤（4）中，所述阈值的范围为0.25到0.35。

本发明所述步骤（4）中，将材料去除部位圆整为圆孔。

本发明基于多体动力学技术和拓扑优化技术的汽车底盘件轻量化方法，将疲劳强度设计与静强度设计相结合，具有较高的可靠性，移植性和可操作性，能够有效的缩短开发周期，新车型在设计开发阶段，使用该方法可以在没有物理样机进行实验的时候提供一种可行有效的轻量化方法。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。