基于疲劳寿命的车架支架结构优化

前言
汽车在行驶过程中， 零部件承受交变载荷， 所以 汽车零部件的破坏很大部分为疲劳破坏 。 随着汽车 工业的发展和用户要求的提升， 汽车零部件的疲劳 强度已成为汽车产品品质的重要指标。 因此， 提升 汽车零部件的疲劳强度具有重大意义 。 迄今为止 ， 提高汽车零部件的强度主要凭借经 或者静态优化 验， 法
均方 根 /g 3. 5 5. 7 ADAMS 测量响应 3. 3 3. 3 均方根 误差 / % 标准偏 差 /g 3. 5 5. 7 标准偏差 误差 / %
图2
车架左侧与车身第一连接点载荷谱
架的有限元模型见图 3 ， 支架、 纵梁和焊缝的原始厚 2. 9 、 3. 2 3. 2mm 。 度分别为 和
步骤如下
。
（ 1 ） 有限元分析。 （ 2 ） 收敛判断。 （ 3 ） 进行设计灵敏度分析。 （ 4 ） 利用灵敏度信息得到近似模型， 并求解近 似优化问题。由于直接对有限元模型进行优化在每 工作量大， 同时有限 个迭代步需要多次有限元求解， ， 元模型是隐式的 所以需要建立显式近似模型， 便于 后续优化。 （ 5 ） 返回步骤（ 1 ） 。 2. 1 拓扑优化相关原理 拓扑优化能够根据已知的边界条件和载荷条件 确定较合理的结构形式， 从而为设计人员提供全新 的设计和最优的材料分布方案
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车
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程
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min M（ X） s． t． N≥N min T X =［ x1 ， x2 ， …， x n］ x i ≥0 ， i = 1， 2， …， n 式中： M（ X） 为支架、 焊缝和与支架相连的纵梁连接 其下限 区域的总质量； N 为模型中单元的疲劳寿命， T N min 设置为 6 000 次循环； X = ［ x1 ， x2 ， …， x n］ 为优 x1 ， x2 ， …， x n 分别为设计区域中某一单 化设计变量， 元的密度。 依据危险点发生的部位确定拓扑优化设计的区 域为支架、 纵梁连接区域及焊缝， 如图 7 所示， 三者 在拓扑优化时的厚度变化范围都设置为 2 ～ 5mm。 支架的两侧孔预先将其填补， 以方便反映拓扑优化 后材料分布。
［8 ］
， 避免了零部件设
保证了最大的材料利用率和零部件总 计的盲目性，
图5 车架支架疲劳寿命分析结果
体性能的提高
［9 ］
。
本文中采用拓扑优化中的密度法， 即每个单元 的材料密度直接作为设计变量， 在 0 ～ 1 之间连续变 0 和 1 分别代表空和实， 化， 中间值代表假想的材料 密度值。实体单元、 壳单元和 1D 单元皆可作为拓扑 优化的单元。采用该方法时， 材料的刚度被假想为 与密度成线性关系
。 虽然过去对汽车零部件的
［5］
N 疲劳寿命分析已有一定研究 ， 采用的方法包括 E、 SN法
［4］
和振动疲劳分析法
等， 但考虑 疲
劳寿命 ， 进行汽车零部件的抗疲劳优化设计的研究
* 国家重大技术装备研制和重大产业技术开发专项项目 （ 发改办高技［ 2007］ 2823 号） 资助。 原稿收到日期为 2012 年 1 月 4 日， 修改稿收到日期为 2012 年 3 月 15 日。
路， 一种是将计划的设计寿命作为约束 ， 在满足寿命 达到设计要求的前提下， 实现质量最轻。 另一种是 限制质量作为约束， 实现结构寿命最大化。 本文中 按照第一种思路进行。 建立的拓扑优化数学模型为
从疲劳寿命分析结果可知， 车架支架与纵梁连 接处疲劳强度无法满足 合 作 企 业 要 求 的 4 580 次 循环。
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料分布 、 结构形式及其尺寸 ， 从而使结构疲劳强度 达到 使 用 要 求 ， 已经成为迫切需要解决的热点 问题 。 本文中阐述了提高车架支架抗疲劳强度设计的 策略和过程， 通过多体动力学模拟汽车在试验场路 面行驶， 求取零部件载荷谱， 结合有限元分析结果， N 方法计算零部件疲劳寿命， 采用 S与路试结果相 结合， 验证 CAE 疲劳分析结果的有效性。 采用拓扑 优化方法， 为考虑疲劳寿命的零部件材料合理分布 提供指导。然后综合疲劳强度和质量的要求， 进行 尺寸优化， 实现结构尺寸的合理设计。 最后对得到 的汽车零部件优化结构的有效性进行验证 。
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汽 车 工 程 Automotive Engineering
2013 （ Vol． 35 ） No． 10
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基于疲劳寿命的车架支架结构优化
吴道俊， 钱立军， 祝安定， 杨年炯
（ 合肥工业大学机械与汽车工程学院， 合肥 230009 ）
*
［ 摘要］ 针对某汽车在道路试验中车架左侧与车身连接的第一支架开裂问题 ， 采用 CAE 进行车架疲劳分析， 显示支架的分析疲劳寿命过低 。据此提出了一个基于疲劳寿命进行汽车零部件结构优化的流程 。 采用拓扑优化， 确定考虑疲劳寿命约束的支架材料合理分布 。根据拓扑优化结果， 考虑疲劳寿命和质量两个因素 ， 对支架和与之相 连的纵梁进行尺寸优化 。结果表明， 优化后在总质量基本不变的前提下车架疲劳寿命显著提高 ， 满足企业要求。
关键词： 疲劳寿命； 支架； 结构； 拓扑优化； 尺寸优化
Structural Optimization of Frame / Bracket Based on Fatigue Life
Wu Daojun，Qian Lijun，Zhu Anding ＆ Yang Nianjiong
School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009
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1. 1
疲劳寿命的计算
多体动力学分析 在 软 件 ADAMS / Car
中， 按照企业提供的整车 数据， 利用建模器模板建 立汽车各个子系统， 直接 生成子系统模型后， 组装 得到 整 车 多 体 动 力 学 模 见图 1 。其中， 车身简 型， 化为一个质量点， 车身的 质量 特 性 参 数 是 通 过 三 图 1 整车多体动力学模型 维建 模 软 件 建 立 车 身 实 体模型， 并根据其材料特性计算而确定。 模型中车 4 个与悬架的连接点， 架有 10 个与车身的连接点、 连接点处采用非线性橡胶衬套模拟 。 在试验场采集四轮中心处加速度信号， 以此为 目标， 采用室内道路模拟迭代的方式， 不断修正试验 使室内测量的轮胎中 台四立柱对轮胎的位移激励， 心的响应信号与试验场路试得到的目标响应信号两 者的接近程度达到预定的范围内。 由于汽车在行驶 轮胎主要承受的是路面的垂向激励 ， 因此在 过程中， ADAMS / Car Ｒide 中， 采用道路模拟迭代得到的轮胎 进行整车仿真分析， 测量模 位移激励信号作为输入， 型中左后轮中心的加速度响应， 并与试验场采集得 到的目标响应进行统计对比， 结果见表 1 ， 说明整车 模型的精确性较好。 表1 加速度信号试验场目标响应与 ADAMS 测量响应统计对比
［10 ］
。
针对支架连接处出现的危险情况， 为避免传统 “加厚修补” 、 “越补越重 ” 的后果， 首先进行拓扑 的 以得到支架合理的材料分布， 实现提高支架疲 优化， 尽量不增加材料的目标。 劳寿命的同时， 2. 2 拓扑优化模型及其优化过程 基于疲劳寿命的汽车零部件结构优化有两种思
图6 车架支架路试结果
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吴道俊， 等： 基于疲劳寿命的车架支架结构优化
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采用直接增大支架和纵梁厚度的方法， 发现支 架厚度需要增加 1. 0mm， 纵梁需要增加 0. 4mm， 才 能使支架和纵梁的疲劳寿命满足企业的设计要求。 但纵梁在整个车架中占有较大比重， 该方法会引起 造成较大的材料消耗。 因 车架质量增加 11. 14kg， 此， 需要寻求支架更合理的结构。
［ Abstract］ In view of the crack appearing at the first bracket on the left side of frame connected with vehicle body during field test，a fatigue analysis on the frame is conducted with CAE technique，showing the low analytical a procedure of autopart structure optimization based on fatigue life is profatigue life of that bracket． Based on this， posed． Accordingly topology optimization is adopted to determine the rational distribution of bracket material with consideration of fatigue life constraint， and then according to the results of topology optimization with both fatigue life and mass factors taken into account，a size optimization is performed on the bracket with connected frame． The results show that after optimization the fatigue life of frame is greatly increased，meeting the requirements of the manufacturer with the total mass kept basically unchanged． Keywords： fatigue life； bracket； structure； topology optimization； size optimization 较少 。 如何按照疲劳寿命分析结果 ， 设计合理的材