一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法技術

本發明專利技術屬于CAE仿真技術領域，具體的說是一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法。本發明專利技術根據空心鑄造零件“不規則的形狀復雜的空腔體”的形狀特征，在設計過程中伴隨一系列不同的優化算法來進行較精確的外形描述。整個設計過程將剛度性能達成和強度性能達成以類似解耦的方式拆分成兩個階段，由于整個設計過程中使用了加權柔度最小化、質量最小化等目標，并且在前期概念設計時使用了固定的特征厚度t，在此特征下求解高度和寬度具有高效利用材料的效果，因此整個設計過程具有輕量化的設計效果。果。果。

【技術實現步驟摘要】
一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法


[0001]本專利技術屬于CAE仿真
，具體的說是一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法。

技術介紹

[0002]參閱圖1，圖1是空心鑄鋁副車架幾何示例，鋁材料和薄壁的空腔結構的使用，有利于零件的輕量化。副車架開發過程中，優化計算介入時間越早，越能早期確定一個合理的大體框架走勢和輪廓，避免結構的先天不足。
[0003]目前空心鑄鋁副車架常見的優化設計方法是先確定設計空間，再通過拓撲優化計算傳力路徑，然后根據拓撲優化結果繪制三維幾何，最后通過有限元計算分析零件的剛度耐久等性能，根據計算結果和經驗修改迭代，直至滿足要求設計完成。這種方法的缺點主要有兩個：一是目前的拓撲優化程序因其自身算法的特點，計算出的結果通常不能很好的描述空心鑄造工藝零件的形狀特征(形狀復雜的空腔體)，因此計算出的幾何與實際畫出的幾何差別較大，精度較低，拓撲優化之后還需要很大的工作量才能實現強度耐久性能的達成；二是拓撲優化算法本身需要大量的三維有限元網格，副車架的拓撲優化通常需要幾十萬網格，建模和計算的數據量和工作量都比較龐大。

技術實現思路

[0004]本專利技術提供了一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，根據空心鑄造零件“不規則的形狀復雜的空腔體”的形狀特征，在設計過程中伴隨一系列不同的優化算法來進行較精確的外形描述。整個設計過程將剛度性能達成和強度性能達成以類似解耦的方式拆分成兩個階段，由于整個設計過程中使用了加權柔度最小化、質量最小化等目標，并且在前期概念設計時使用了固定的特征厚度t，在此特征下求解高度和寬度具有高效利用材料的效果，因此整個設計過程具有輕量化的設計效果，解決了現有空心鑄鋁副車架的優化設計方法存在的上述問題。
[0005]本專利技術技術方案結合附圖說明如下：
[0006]第一方面，本專利技術實施例提供了一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，包括以下步驟：
[0007]步驟一、根據懸架硬點布置和接口定義，設計副車架傳力路徑和結構框架；
[0008]步驟二、根據副車架傳力路徑和結構框架將整個框架結構離散化，用空心矩形截面的梁單元搭建副車架簡化框架有限元模型；
[0009]步驟三、確定副車架概念框架設計線；
[0010]步驟四、確定副車架三維概念輪廓面；
[0011]步驟五、繪制初版概念三維幾何；
[0012]步驟六、對初版概念三維幾何的剛度和模態性能進行驗證和迭代；
[0013]步驟七、確定工藝孔、降重孔的位置和優先順序；
[0014]步驟八、繪制初版詳細三維幾何；
[0015]步驟九、對初版詳細三維幾何數據進行有限元強度耐久性能分析和工藝可行性分析；
[0016]步驟十、設計完成。
[0017]進一步的，所述步驟一的具體方法如下：
[0018]硬點布置包括副車架前安裝點、后安裝點、控制臂連接點、懸置連接點和轉向機連接點；明確副車架所有載荷的傳力路徑需求，并確定副車架的組成部分，根據傳力路徑需求設計副車架傳力路徑；根據副車架的組成部分設計結構框架。
[0019]進一步的，所述步驟二的具體方法如下：
[0020]用空心矩形截面的梁單元搭建副車架簡化框架有限元模型：將副車架的各部分分成小段，每個小段用一個梁單元代替；分段離散化完成后，將所有單元的厚度固定為統一的特征厚度t，t為鑄造工藝可全場穩定達到的最小厚度，所有梁單元的截面寬度W和高度H設置為全場一致的統計數據，統計數據W和H由已有車型的副車架截面尺寸計算均值得出。
[0021]進一步的，所述步驟三的具體方法如下：
[0022]取對稱模型的一側，以所有節點的x、y、z坐標作為設計變量，以設計空間的尺寸限制作為約束，以所有剛度工況的加權柔度作為目標，計算加權柔度最小化時各個節點在設計空間內的位置變化量，每個節點由原始坐標和坐標變化量計算得出新位置坐標，所有節點的新位置連成的線即為副車架概念框架設計線。
[0023]進一步的，所述步驟四的具體方法如下：
[0024]將步驟三確定的模型沿著對稱軸做對稱，補齊對稱軸另一側的單元，每一對左右對稱的單元使用相同的尺寸變量；仍然固定梁單元厚度為特征厚度t，以各個梁單元寬度Wi、高度Hi為變量，以全部剛度工況的剛度目標值和模態頻率目標值為約束，進行質量最小化參數化優化，計算得出所有梁單元的新尺寸，由所有不同寬度和高度的梁單元構成的階梯狀不連續表面即為副車架的三維概念輪廓面。
[0025]進一步的，所述步驟五的具體方法如下：
[0026]對副車架主體的每一個組成部分，由離散的三維概念輪廓面依次生成連續光滑的曲線、曲面和三維實體；再由連續光滑的曲線中兩兩相鄰的兩條線分別生成光滑曲面，然后用圓角連接光滑曲面，得到一個連續的空腔曲面，將這個空腔作為副車架任一組成部分的外表面；由外表面向空腔內側推移特征厚度t，作為副車架任一組成部分的內表面；由副車架任一組成部分的內表面和外表面，得出空心鑄造的三維實體；依次對副車架的每一個部分進行光滑處理，再將所有的部分接合在一起，就得到整個副車架的初版概念三維幾何。
[0027]進一步的，所述步驟六的具體方法如下：
[0028]對初版概念幾何進行有限元剛度和模態分析，驗證概念幾何的剛度模態性能偏差，如果偏差在可接受的范圍內，則不需要迭代直接進入下一步，如果剛度和模態偏差需要調整，則按照實際結果和原設計目標的比例關系，重新設置各個工況的新目標值，進行優化迭代計算，得出新的離散幾何，再繪制成新的連續幾何并進行有限元驗證，直到偏差滿足要求，得到滿足剛度和模態性能要求的概念三維幾何。
[0029]進一步的，所述步驟七的具體方法如下：
[0030]將不能挖孔的位置單獨設置為不參與拓撲優化的部分，其余設置為參與拓撲優化
的部分，對概念三維幾何進行拓撲優化得出挖孔的可行位置；依次設置不同級別的質量百分比，通過孔出現的先后順序和大小變化，得出挖孔的優先順序，確定工藝孔和降重孔的位置。
[0031]進一步的，所述步驟八的具體方法如下：
[0032]根據概念三維幾何，工藝孔、降重孔位置和副車架上所有接口的尺寸要求，繪制初版詳細三維幾何數據。
[0033]進一步的，所述步驟九的具體方法如下：
[0034]對初版詳細三維幾何數據進行有限元強度耐久性能分析和工藝可行性分析，如不滿足要求，則進行微調修改，對于不滿足強度耐久性能的位置，通過局部加厚、局部加筋和內表面加貫通筋進行局部微調，包括外表面局部加厚、內表面局部加厚、外表面局部簡單加筋、內表面局部簡單加筋、內表面加上下聯通的貫通筋；對于不滿足工藝要求的位置，通過調整澆注位置和增加澆注通道進行局部進行調整，直至得到強度耐久性能和工藝均滿足要求的設計結構。
[0035]本專利技術的有益效果為：
[0036]1)本專利技術是專門針對形狀復雜的空腔結構設計的一套正向優化方法，解決了常見的優化設計方法得出的結果不能很好的描述空心鑄造零件的形狀本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、根據懸架硬點布置和接口定義，設計副車架傳力路徑和結構框架；步驟二、根據副車架傳力路徑和結構框架將整個框架結構離散化，用空心矩形截面的梁單元搭建副車架簡化框架有限元模型；步驟三、確定副車架概念框架設計線；步驟四、確定副車架三維概念輪廓面；步驟五、繪制初版概念三維幾何；步驟六、對初版概念三維幾何的剛度和模態性能進行驗證和迭代；步驟七、確定工藝孔、降重孔的位置和優先順序；步驟八、繪制初版詳細三維幾何；步驟九、對初版詳細三維幾何數據進行有限元強度耐久性能分析和工藝可行性分析；步驟十、設計完成。2.根據權利要求1所述的一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，其特征在于，所述步驟一的具體方法如下：硬點布置包括副車架前安裝點、后安裝點、控制臂連接點、懸置連接點和轉向機連接點；明確副車架所有載荷的傳力路徑需求，并確定副車架的組成部分，根據傳力路徑需求設計副車架傳力路徑；根據副車架的組成部分設計結構框架。3.根據權利要求1所述的一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，其特征在于，所述步驟二的具體方法如下：用空心矩形截面的梁單元搭建副車架簡化框架有限元模型：將副車架的各部分分成小段，每個小段用一個梁單元代替；分段離散化完成后，將所有單元的厚度固定為統一的特征厚度t，t為鑄造工藝可全場穩定達到的最小厚度，所有梁單元的截面寬度W和高度H設置為全場一致的統計數據，統計數據W和H由已有車型的副車架截面尺寸計算均值得出。4.根據權利要求1所述的一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，其特征在于，所述步驟三的具體方法如下：取對稱模型的一側，以所有節點的x、y、z坐標作為設計變量，以設計空間的尺寸限制作為約束，以所有剛度工況的加權柔度作為目標，計算加權柔度最小化時各個節點在設計空間內的位置變化量，每個節點由原始坐標和坐標變化量計算得出新位置坐標，所有節點的新位置連成的線即為副車架概念框架設計線。5.根據權利要求1所述的一種空心鑄造副車架的正向優化設計方法，其特征在于，所述步驟四的具體方法如下：將步驟三確定的模型沿著對稱軸做對稱，補齊對稱軸另一側的單元，每一對左右對稱的單元使用相同的尺寸變量；仍然固定梁單元厚度為特征厚度t，以各個梁單元寬度Wi、高度Hi為變量，以全部剛度工況的剛度目標值和模態頻率目標值為約束，進行質量最小化參數化優化，計算得出所有梁單元的新尺寸，由所有不同寬度和高度的梁單元構成的階梯狀不連續表面即為副車架...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟夏蕾，李繼川，李耀，韓超，武小一，王念強，朱學武，
申請(專利權)人：中國第一汽車股份有限公司，
類型：發明
國別省市：