浅谈汽车后副车架轻量化概念设计方法

浅谈汽车后副车架轻量化概念设计方法

邓铁桥

珠海广通汽车有限公司

摘要:汽车后副车架是车身、悬架系统的关键连接部件，对整车的操控性、舒适性和部件疲劳寿命起着至关重要的作用。它是底盘设计水平的一个重要衡量指标，所以后副车架的设计方法一直是关注的焦点。基于此，本文中提出在概念设计阶段结合隐式参数化建模与截面形状控制方法对后副车架整体进行轻量化优化设计。

关键词：概念设计；参数化建模；后副车架；轻量化设计

前言

在概念设计阶段，根据拓扑优化结果及造型、截面等数据建立参数化模型，并在设计初期进行多学科优化，可以更有针对性地进行汽车产品开发。参数化建模包括显式参数化建模和隐式参数化建模，由于显式参数化建模难以解决零部件的大变形问题以及装配关系的更新，目前学者广泛采用隐式参数化建模技术实现“分析驱动设计”。基于隐式参数化模型的优化设计主要针对已有的结构进行改型，均实现了良好的轻量化效果。Wang等基于隐式参数化建模对白车身进行轻量化设计，在保证静动态性能的前提下质量减轻了7.63%。Duan等将隐式参数化模型与全局灵敏度分析方法结合对白车身进行轻量化设计，有效地降低了设计复杂度。

一、后副车架的作用

汽车副车架是处于悬挂连接部件与车身之间的一种辅助装置，后副车架与前副车架一样都是用来支承车桥和悬挂，悬挂和车桥直接与副车架相连，副车架再与“正车架”相连，由于其处于汽车的尾部，故称为后副车架。由于人们越来越多的关注注重轿车的各项性能，后副车架作为可以提高舒适性和操纵性的重要底盘零件，其在汽车中应用也越来越广泛。虽然不同车型之间后副车架的结构有很大的区别，但是其设计部件主要包括：后副车架整体骨架和连接各个零部件的支架等。一般来说，和没有安装后副车架结构的汽车相比，安装有后副车架结构的汽车具有以下几个优点：1．装有后副车架能够提高悬架的连接刚度；2．装有后副车架比没安装后副车架的汽车多一级振动衰减的功能，能够有效降低传递到车身处的振动，从而改善汽车的舒适性；3．可以将悬架部分由散件集成为总成，把总成安装在后副车架上，提高悬架结构的互换性，使悬架等部件研发、安装和维修更便捷，有效减少了整车维护成本。

二、后副车架拓扑优化概念设计

底盘前期结构概念设计阶段为找出最佳结构空间布置形式，须要进行整体结构拓扑优化分析，以便找出载荷传递路径。良好的后副车架结构可以提高悬架系统间的连接刚度，提高汽车操作稳定性、舒适性和底盘结构安全可靠性。

1.拓扑优化模型的建立

根据工程经验后副车架拓扑优化设计空间应最大限度地充满其可用设计空间，该后副车架结构的拓扑优化空间，其结构所有硬点(车身、稳定杆、上拉杆、下拉杆和控制臂)连接区域均为非优化区域，整个拓扑优化模型由72672个实体单元和8l630个节点组成，单元平均尺寸10mm为满足轻量化设计要求，后副车架拓扑优化目标为满足结构硬点连接刚度指标的条件下结构质量最小化，由于后副车架早期设计模型较粗糙，在拓扑优化概念设计阶段对于结构应力、模态等不作要求，可在后期详细设计时进行分析和优化。

2.拓扑优化结果与分析

理论上拓扑优化最优解往往不具有实际应用价值，但可以给后期结构设计提供参考，如果在拓扑优化阶段进行制造工艺控制，往往能使拓扑优化结果变得十分清晰，更容易给工程设计人员提供参考。

后副车架整个拓扑优化设计空间在整车坐标系y轴方向采用对称约束，在垂直方向采用一致性约束，具有一致性约束条件的拓扑优化结果。考虑到单层一致性约束会导致该方向上材料有堆积的现象从而导致过设计，因此可以采用分层约束方法，采用分层一致性约束下的后副车架拓扑优化结果，理想状态下无一致性约束后副车架最优拓扑优化材料分布。

三、智能轻量化分析方法
后期的结构设计阶段对于后副车架不同部分板材厚度、梁的形状和位置还需要进一步优化以达到结构性能的最优，具有量子行为粒子群算法(QPSO)已经被证明具有全局收敛能力，为保证优化后结果的可靠性，这里将利用QPSO算法结合参数化的后副车架模型实现其结构性能优化和轻量化设计，其具体流程如下：

(1)建立参数化后副车架SFE模型；(2)确定目标函数；(3)选择合适的粒子群优化参数(种群大小、最大迭代次数、收敛准则)；(4)初始化设计变量；(5)根据设计变量调用SFE更新网格模型；(6)结构性能有限元计算；(7)按照QPSO算法进行设计变量更新；(8)判断是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若是，进入下一步；否则转(5)；(9)输出最优设计变量值

四、后副车架隐式参数化建模

隐式参数化建模采用数学描述对结构模型进行建立和修改，通过基本参数化元素即基点、基线和基本截面生成高级参数化元素即梁结构、连接接头、自由曲面等，零部件间的连接关系通过数学映射的方法建立，因此通过改变基本参数化元素就可以满足结构形状变化的要求。隐式参数化建模映射连接关系稳定、能够自动划分有限元网格，便于进行封闭式集成优化。当结构复杂，零部件较多时，控制零件形状的局部截面随之增多，因此在进行隐式参数化建模的过程中需要避免设计变量之间的耦合现象。

五、后副车架结构优化设计

在对参数化后副车架进行结构优化设计时，首先对模型进行设计变量的选取，结合试验设计方法生成设计矩阵，循环执行求解器进行分析计算。为提高优化设计效率，采用数学模型构造性能响应与设计变量之间的关系，结合优化算法对后副车架进行结构优化设计并进行性能仿真验证。

1.零件形状设计变量

常用的截面形状控制方法有偏置法、矩形模拟法、扁宽截面法、极坐标法和比例向量法。相对于其他方法，比例向量法控制变量少，能够在已有的截面形状基础上生成新的截面形状，不受初始形状的约束。比例向量法通过引入一个固定的角度值θ和一个变化的度量值SV实现截面形状的连续变化，在复杂情况下也可将角度值作为设计变量。

2.零件位置设计变量

对零件位置进行参数化时，选择梁结构的基点进行整体移动，当零件位置变化时连接关系将自动得到调整，无须重新建立。

3.零件尺寸及材料设计变量

对零件的厚度尺寸进行参数化，共计10个设计变量。由于纵梁在极限工况下受力较小，将该部分用牌号为6061的铝合金代替后的拓扑优化结果形式与钢材类似，因此将其材料进行参数化为1个设计变量。

4.结构优化设计

针对后副车架的形状、位置和材料的性能响应具有较强的非线性，因此选择最优拉丁超立方设计，该方法能均匀填充设计空间，在拟合非线性响应方面具有优势。椭圆基（EBF）神经网络模型具有较强的拟合复杂非线性函数的能力。选择在多目标优化中具有较好收敛能力的第二代遗传算法结合椭圆基神经网络模型进行优化设计。

结语

利用折衷规划法对后副车架进行多目标拓扑优化设计，对设计空间进行分区域建模并进行制造工艺约束，能够得到清晰的传力路径，为概念设计阶段的结构参数化建模和零件的参数化设计提供方案。结合隐式参数化建模和截面形状控制方法对后副车架进行结构建模与分析，避免了在设计变量选择过程中的盲目性，有效减少复杂结构的设计变量数目，缩短汽车零部件轻量化概念设计周期。

参考文献：

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