基于结构可靠性的控制臂轻量化设计
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control ArmBased on OptiStruct金莹莹麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司上海 201807摘 要：本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了优化前后结构的应力和位移。
结果表明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求，并实现了轻量化的性能需求，体现了拓扑优化技术的工程价值。
关键词： OptiStruct拓扑优化控制臂强度Abstract：The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords：OptiStruct, topology optimization, control arm, strength前言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义。
《某型汽车前悬架控制臂的结构分析与优化》范文
《某型汽车前悬架控制臂的结构分析与优化》篇一一、引言汽车作为现代交通工具的重要组成部分，其性能和舒适度在很大程度上取决于其悬挂系统。
前悬架控制臂作为悬挂系统的重要部分，其结构设计和性能对汽车的行驶稳定性和乘坐舒适性具有重要影响。
本文将针对某型汽车的前悬架控制臂进行结构分析，并提出相应的优化方案。
二、某型汽车前悬架控制臂的结构分析某型汽车的前悬架控制臂主要由支撑臂、连接臂和调节臂等部分组成。
其中，支撑臂负责承受车辆重量和路面冲击，连接臂将控制臂与转向系统连接，调节臂则用于调整车轮的定位参数。
在结构上，该型汽车的前悬架控制臂采用了高强度钢材制造，以保证其足够的强度和刚度。
同时，控制臂的各个部分都经过了精密的加工和焊接，以确保其尺寸精度和连接强度。
然而，尽管该型汽车的前悬架控制臂在结构和材料上具有一定的优势，但仍存在一些潜在的问题和改进空间。
三、前悬架控制臂存在的问题及原因经过实际使用和测试，发现该型汽车的前悬架控制臂存在以下问题：1. 耐磨性不足：由于道路状况复杂，控制臂在使用过程中容易出现磨损，导致尺寸精度下降，影响行驶稳定性。
2. 抗冲击性能有待提高：在遇到颠簸路面时，控制臂容易受到较大的冲击力，导致损坏或变形。
3. 制造工艺复杂：控制臂的制造过程需要多道工序，包括切割、加工、焊接等，导致制造成本较高。
造成这些问题的原因主要包括材料选择、结构设计、制造工艺等方面。
例如，选用的材料虽然具有较高的强度和刚度，但在耐磨性和抗冲击性能方面仍有待提高。
此外，结构设计上可能存在一些不合理之处，导致在使用过程中容易出现磨损或变形。
制造工艺方面，复杂的加工和焊接过程也可能影响制件的质量和成本。
四、前悬架控制臂的优化方案针对上述问题，提出以下优化方案：1. 改进材料选择：选用具有更高耐磨性和抗冲击性能的材料制造前悬架控制臂，以提高其使用寿命和抗损性能。
2. 优化结构设计：对前悬架控制臂的结构进行优化设计，使其在承受重量和冲击力的同时，减少应力集中和磨损现象。
基于solidThinking Inspire的控制臂优化设计
基于solidThinking Inspire的控制臂优化设计Zhang Tao【摘要】传统的产品设计往往需要通过设计—验证—改进等步骤,由于验证的时间较长,往往会导致整个设计周期增加.文章利用Altair公司的优化软件solidThinking Inspire建立了汽车控制臂优化模型,并使用底盘强度分析中较为常用的工况进行校核.根据设定的不同目标,得到了相应的拓扑优化结果.进而针对原始模型进行几何重构.新的结构不但能满足强度要求,而且重量也有一定的减轻,优化效果明显,缩短了设计周期,提高了产品设计工程师的工作效率.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(000)023【总页数】4页(P241-244)【关键词】控制臂;强度;拓扑优化;减重【作者】Zhang Tao【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】U467前言控制臂是具有导向和传力作用的悬架部件。
其主要作用是将车轮上各方向的力传递给车身，同时还能保证车轮按一定轨迹运动。
控制臂分别通过球铰和衬套把车轮和车身弹性地连接在一起。
它的重量和性能参数对前悬架系统的整体表现有重要影响。
在汽车轻量化普遍受到主机厂重视趋势下，控制臂的减重工作也显得尤为重要。
文章利用Altair公司的solidThinking Inspire软件[1]（以下称为solidThinking软件）在产品开发前期进行拓扑优化[2]，在满足强度性能要求的前提下，实现了结构的优化减重。
1 原始设计图1所示为某车型控制臂的原始设计结构，该结构已充分考虑了控制臂与周边零件的空间位置关系，避免了装配过程和车辆行驶过程中与周边部件产生干涉。
接下来所有在solidThinking软件中进行的优化工作都是基于这个几何模型。
图1 控制臂原始几何模型2 优化流程整体的优化设计思路如图2所示。
图2 优化流程3 优化分析3.1 定义设计空间在开始进行优化设计前，首先定义结构的设计空间[3]，由于各安装孔是用来固定和安装控制臂的，需要保持位置和形状基本不变，所以将其定义为非设计空间，而将控制臂的本体部分定义为设计空间。
结构轻量化技术研究
结构轻量化技术研究一、引言随着社会的发展和科技的进步，轻量化成为了汽车制造、航空航天、运动器材、建筑等领域的重要发展趋势。
在诸多领域中，结构轻量化具有重要的应用价值。
结构轻量化技术是将材料与结构设计有机结合，通过精确的计算和优化设计，在尽可能不影响结构强度和刚度的前提下，使结构的重量和大小达到预期的目标，从而提高结构的性能和可靠性，并降低使用成本和环境影响。
本文将从设计与制造和材料两个方面来介绍结构轻量化技术的研究和应用。
二、设计与制造方面1.结构优化设计结构优化设计是结构轻量化技术的核心之一，其目的是通过先进的计算方法和优化算法，使结构在满足各种约束条件的基础上，达到最佳性能状态和最小的重量。
结构优化设计包括有限元模型建立、约束条件设定、参数设计和计算结果评估等方面，其中有限元分析是结构轻量化的关键技术之一。
通过有限元分析，我们可以对结构进行分析，从而找到弱点所在和优化的方向，通过优化设计，使结构实现轻量化。
2.快速成型技术快速成型技术是近年来发展迅速的一项先进技术，其基本原理是通过计算机三维造型软件设计出产品的三维模型，然后再将模型传输到快速成型设备中，通过控制设备激光束或光固化层层累加，形成实体产品。
快速成型技术与结构轻量化的结合，可以有效地实现轻量化设计，减轻结构的重量和体积，提高结构的性能和可靠性。
同时，快速成型技术还大幅缩短了结构设计和制造的周期，为结构轻量化技术的研究和应用带来了革新性的变化。
三、材料方面1.高强度金属材料高强度金属材料的研究与开发是结构轻量化的又一重要领域。
目前，钛合金、镁合金、铝合金等高强度金属材料的应用越来越广泛。
这些材料具有热膨胀系数低、强度高、重量轻等诸多优点，在航空航天、汽车及其他轻量化领域中得到了广泛应用。
研究人员通过不断地改进组织结构、表面处理和复合材料技术等方面，不断提高高强度金属材料的力学性能，满足结构轻量化的需求。
2.碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种高性能、低密度的新型材料，常被称为未来材料之王。
ZF为车辆注入创新科技
5ZF 为车辆注入创新科技在2011年上海国际车展上，采埃孚公司展示了企业是如何适应市场不断变化的要求以保持在传动系统和底盘技术方面的领先地位。
采埃孚公司的变速器、转向器和车桥凭借着更小的尺寸、按需供电以及轻量化设计为配备现代化发动机的轻型车辆的节能减排做出了重要的贡献。
文图王晓辉ZF innovat ive technology f 零部件1142011./or automobile55型化不仅仅是发动机开发的关键所在。
采埃孚公司的传动系统和底盘技术同样可以满足小型化的车辆。
在2011年上海国际车展上，采埃孚公司推出了一系列满足该趋势的产品，包括减振器、适用于横置前驱车辆的多档变速器、转向器和轻量化底盘设计等产品。
应用广泛的减振器技术采埃孚正不断扩展着其减振器的型谱。
基本产品可称为“基础”型，它具有一个单筒减振器的基本功能和适合各种车辆的一个标准接口，当然也能满足中小型乘用车的要求。
如果基本产品不能适应车辆或特殊安装条件，采埃孚也能提供“定制”型产品。
汽车制造商将能够订购个性化的“高级”减振器以满足特殊需求：包括带控制电气和软件的电控减振器系统CDC(连续阻尼控制)。
还能提供另一类被称为“经济”型减振器产品。
其特点通过采用铝合金、高强度钢或优化零部件设计等实现轻量化设计。
适用于横置前驱传动的自动变速器采埃孚展示的是适用于横置前驱车辆的9档自动变速器。
该产品适用于中型乘用车及更小型的乘用车型谱。
目前采埃孚公司正致力于开发现代化的横置前驱变速器的全套产品，它们也可应用于混合动力传动。
这些新产品将于2013年投入量产。
其目标是扩展横置前驱变速器型谱以实现在低转矩范围内节约油耗和降低排放，并能够在无需改动的前提下实现混合动力传动。
更简洁的底盘底盘轻量化的优点更容易理解：如果底盘的质量减轻，乘用车只需更小的发动机功率便能实现现有底盘的性能。
除此之外，更轻的簧下质量可明显改善车辆的动力性和舒适性。
但是在过去几年中，该趋势朝着相反的方向发展：不断增加的操纵性、安全性和舒适性方面的要求使得底盘结构日趋复杂和笨重－更发展的结构件、全新的车桥设计、集成式主动悬架等。
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计
基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计金莹莹（观致汽车有限公司，上海200126）摘要：文中基于OptiStruct软件对某项目汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了三个载荷工况下，控制臂优化前和优化后的应力和位移。
结果表明，拓扑优化后的控制臂的应力在3个工况下都略有增大，但应力值远远小于铸钢材料的屈服极限（650MPa）；拓扑优化后的控制臂的位移在3个工况下都略有增大，但均小于1mm。
这说明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的强度要求。
同时，控制臂结构的重量减轻了35%，实现了轻量化的性能需求，这对汽车零部件产品的设计具有一定的参考意义。
关键词：拓扑优化；OptiStruct；控制臂；强度；减重中图分类号：U463.33文献标志码：A文章编号：1002-2333（2018）02-0082-03 Topology Optimization Design for Vehicle Control Arm Based on OptiStructJIN Yingying(Qoros Automotive Co.,Ltd.,Shanghai200126,China)Abstract:This paper carries out topology optimization of the vehicle control arm based on the OptiStruct software.The results show that the stress of the control arm after topology optimization is slightly increased under three operation conditions,but the stress value is much smaller than the yield limit(650MPa)of the cast steel material.The displacements of the control arm after topology optimization under normal conditions are slightly increased,but are less than1mm.This shows that the topology optimization design using OptiStruct software can meet the strength requirements of the structure.At the same time,the weight of the control arm structure is reduced by35%,which achieves the requirement of lightweight performance.Keywords:topology optimization;OptiStruct;control arm;strength;weight reduction0引言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们广泛重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义[1]。
结构轻量化设计
结构轻量化设计结构轻量化设计导言：在现代社会中，无论是建筑、机械还是软件开发，轻量化设计都成为了一个关键的发展趋势。
随着科技的不断进步，人们对于可靠性、效率和灵活性的需求也越来越高。
结构轻量化设计应运而生。
本文将深入探讨结构轻量化设计的重要性、方法及其在不同领域的应用。
一、结构轻量化设计的重要性1.1 提高效率：轻量化设计可以减少结构的重量和质量，从而使得整体系统更加高效和灵敏。
通过降低重量，可以减少能量消耗和材料使用，提高有效载荷和效能。
1.2 增加可靠性：较轻的结构不仅可以减少系统的振动和压力，还可以降低疲劳和损伤的风险。
结构轻量化设计能够使系统更加坚固，减少故障和损坏的可能性，提高可靠性和安全性。
1.3 促进创新：轻量化设计迫使设计师遵循最低成本和最高性能的原则，激发了创新的潜力。
在轻量化的要求下，设计师被迫思考新的解决方案和方法，推动技术的进步和突破。
二、结构轻量化设计的方法2.1 材料选择：选择轻量、高强度和高刚性的材料是实现结构轻量化的关键。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用就是一个成功的例子。
2.2 结构优化：通过运用先进的结构优化算法和仿真技术，可以寻找到结构的最优设计方案。
这些算法能够考虑到力学、振动、疲劳等因素，使得结构轻量化和高效。
2.3 模块化设计：将结构划分为多个独立的模块，每个模块具有特定的功能和负载。
这种设计方法使得每个模块都可以按需制造和更换，提高了系统的灵活性和可维护性。
三、结构轻量化设计在不同领域的应用3.1 建筑领域：轻量化建筑材料（如空心玻璃钢）的使用可以减少建筑物的质量，并提高建筑的抗震和抗风能力。
结构轻量化还可以降低建筑物的能耗，提高生态环保性。
3.2 机械制造领域：轻量化设计在汽车、飞机、火箭等交通运输工具中具有广泛的应用。
通过减轻结构重量，可以提高燃油效率和运输能力，降低碳排放和物资成本。
3.3 软件开发领域：在软件开发中，轻量化设计可以使得软件更加灵活、高效和易于维护。
基于结构耐撞性的汽车车身轻量化设计
料提升到一定等级的高强度钢材料 ，同时降低料 厚， 达到不降低 ｌ能指标 而减重的 目的 。 生
４３ 结构 优化 结果 ．
减重环节的高强度钢可以降低大部分料厚大 于 １ｍ ． ｍ的零件 ，通过使用更高等级的高强度钢 ０
材料 可 以降低料 厚 ０２ ｍ ０４ ．ｍ ． ｍｍ。 把 以上 可接受 的方 案结 合在 一起 ，将 未被 列 入 敏感 表 的零 件考 虑其 他要 求及 工艺 实现 。仿 真 分 析最 终 方 案 包 括 全 宽正 碰 、０ ４ ％侧 面 碰撞 和侧
问题 。
关键 词 ： 强度 钢 高
轻量 化
结构 耐撞 性
１ 引 言
汽 车 的安 全性 能 和节 能环保 是 目前 汽 车结 构 设计 面 临 的两大 问题 ，这 些 问题 与 汽车 的轻 量 化 问题 密切 相关 。据统 计 ， 车总重 量每 减轻 １％ ， 汽 ０
轿车车身结构安全性设计的基本思路是 ： 利 用 车身 的可变 形 区域有 效 吸收撞击 能 量 ，以确 保
结果 的基 础上 对工 字 梁结构进行 了改进 。
关键 词 ： Ｂ Ｕ 前桥 Ａ ＡＱ Ｓ
工 字梁
强度
１ 前 言
工 字 梁 是前 桥 总 成结 构 中 最重 要 的 承载 件 ， 传递着车架与路面之间的全部作用力 ，在汽车制
动 时承受 巨大的 载荷 ，因此 对极 限制动 工况 下 工 字梁 的强度分 析 十分必要 。本 文利 用有 限元 软件
２ 轿 车车身结构设计过程
１ 技 术纵横 ８
轻 型汽 车技 术
２１ （ ） ２７ ０２ ９ 总 ７
Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ在前桥工字梁结构改进中的应用
何 润华 沈 磊
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基 于 结构 可 靠 性 的控 制臂 轻 量 化 设 计 崇
高 翔 ，李 阳 ，赵 清 江
（ １ ． 中 国汽 车 工 程 研 究 院股 份 有 限 公 司 ， 重 庆 ４ ０ １ １ ２ ２ ；２ ． 重 庆 市汽 车 轻 量 化 工 程 技 术 研 究 中心 ，重 庆 ４ ０ １ １ ２ ２ ）
Ｋ — Ｆ／ ｄ ．
其 中： Ｆ 为 载荷 ； ｄ为 位 移 。分 析 可 得 Ｘ 向和 ｙ 向位 移 分别 为 ０ ． ５ ５ ３ ｍｍ 和 ０ ． ０ ９ ７ ｍｍ， 即 Ｘ 向 和 ｙ 向 刚 度分别为 １ ８ ０ ８ ３ Ｎ／ ｍｍ 和 １ ０ ３ ０ ９ ３ Ｎ／ ｍｍ。原模 型控 制臂 的 Ｘ 向和 ｙ 向位移 云 图分别 如 图 ３和 图 ４所 示 。
摘 要 ：通 过对 某轿 车 控 制 臂 的 原 模 型 刚 度 和 强 度 进 行 有 限 元分 析 ， 基 于 结 构 可 靠 性 要 求 ， 以控 制臂 本 体 截 面
尺 寸 为设 计 变 量 ， 以 总体 积 最 小 为 优 化 目标 ，建 立 控 制 臂 的轻 量 化 设 计模 型 。 应 用 Ｏｐ ｔ ｉ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ 软 件 进 行 尺 寸
０ 引 言
２ ． １ 刚 度 分 析
最 大限度 地 减少材 料 的用量 、 节 约能 源 、 减少 排放 和控 制 尾气 污染 是汽 车行 业 面临 的主要 任务 。研 究显 示， 汽 车 的质 量 每 减 少 １ ０ ％， 燃油效率 可提高 ６ ９ ， ６ ～ ８ ＿ １ ］ 对于 现有 车型 的轻 量化 ， 目前主要 是从 零 部 件 轻 量化 做起 ， 逐 步实 现整 车轻 量化 的 目标［ ２ ］ 。 控 制臂 （ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｒ ｍ， 也 称 摆臂 ） 作 为 汽 车悬 架 系 统 的导 向和传 力元 件 ， 对 汽 车 的行驶 平 顺 性 和操 纵 稳 定性 有重 要 的影 响 。它 将作 用在 车轮 上 的各 种载荷 传 递给 车身 ， 同时要保 证 车轮 按一定 轨 迹运 动［ ３ ］ ， 这就 使 得控 制 臂需要 满 足结 构可 靠性 的要 求 。 本 文首 先对 某轿 车控 制臂 的原 模型 结构 刚度 和强 度进 行 有 限元分 析 ， 验 证 其刚 度和 强度 性能 ； 再根 据竞 标 车型 性能 数据 确 定轻 量 化 目标 ， 基 于 结 构 可 靠性 能 的要求 ， 以控制 臂本 体 的截 面尺寸 为设 计变 量 ， 以其 总 体 积 为优 化 目标 函数 ， 建 立 控 制 臂 的轻 量 化 设 计 数 学 模 型 。应用 Ｏ ｐ ｔ ｉ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ 软件对其进行尺寸优化分析， 并对 轻量 化后 的控 制臂 结构 进行 分 析验证 。
优 化 分 析 ， 最 终 得 到 满 足 结 构 可 靠 性 要 求 的轻 量 化设 计 方 案 。 关 键 词 ： 控 制 臂 ； 有 限 元 分 析 ；尺 寸 优 化 ；轻 量 化 设 计 中 图分 类 号 ：Ｕ ４ ６ ３ ． ３ ３： ＴＰ ３ ９ １ ． ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
第 ４期 （ 总第 １ ９ １ 期）
２ ０ １ ５年 Ｏ ８月
机 ห้องสมุดไป่ตู้ 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ Ｅ ＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ８ Ｌ ＡＵＴＯＭＡＴＩ ＯＮ
ＮＯ ．４ Ａｕ ｇ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ — ０ ０ ３ ８ — ０ ２
。
２ ． １ ． １ 载荷 及约束 定 义 根据 试 验工 况 ， 在 控制 臂 的球 头 点处 分 别 沿 Ｘ 轴 向、 ｙ轴 向施 加 １ ０ ０ ０ ０ Ｎ 的集 中载 荷 ， 约 束 前 点 和 后 点 的所 有平 动 和转动 自由度 。控 制臂 载荷 及约 束位 置
如 图 ２所 示 。
２ 原模 型 结构可 靠 性分析
｛ ｌ ｝ 重 庆 市基 础 与前 沿 研究 计 划项 目 （ ＣＳ Ｔ Ｃ２ ０ １ ３ Ｊ Ｃ Ｙ Ｊ Ｃ ６ ０ ０ ０ １ ）
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ９ 一 Ｉ ７ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ５ — ０ ３ — ２ ７
２ ． １ ． ２ 刚度 分析 结果 控 制臂 刚度 计算 公式 为 ：
图 １ 控 制 臂 有 限 元 模 型
１ 有 限 元 模 型 的 建 立
图 ２ 控 制 臂 的 载 荷 及 约 束
控制 臂本 体 厚度 为 ５ ｍｍ， 总 重量 为 ４ ． ７ ３ ｋ ｇ 。采 用Ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ 壳 单元 对 控 制 臂 本 体 和 焊 接 管 进 行 离 散 ； 由 四面体 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ实 体 单 元 对 控 制 臂 的球 头 处 进 行 离 散 ； 缝 焊 和螺栓 均采 用 刚性单 元 Ｒ Ｂ Ｅ ２来模 拟 。模 型单元 总数 为 １ ９ ５ ４ １ ， 节 点数 为 ２ ８ ９ ４ ３ ， 三角 形单 元所 占比例 为 ３ ． １ 。钣 金 件 材 料 为 Ｂ ３ ８ ０ ＣＬ ， 弹性 模 量 Ｅ一 ２ ０ ６ ０ ０ ０ ＭＰ ａ ， 密度 １ ０ —７ ８ ３ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ， 泊 松 比 一０ ． ３ 。 建 立 的控 制臂 有 限元模 型如 图 １所示 。
２ ． ２ 强 度 分 析
２ ． ２ ． １ 载荷 及约 束定 义
作 者 简 介 ：高 翔 （ １ ９ ８ ３ 一 ） ，男 ， 陕 西 宝鸡 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，研 究方 向 ： 汽 车结 构 ＣＡＥ分 析 及 优 化