智能化扭轉梁設計分析系統研究與開發

周杰梁　張偉　許諾　王光耀

摘? 要：該文簡述了傳統扭轉梁智能化設計分析系統研究與開發的背景，并介紹了使用該系統對扭轉梁進行分析的流程，通過對比開發前后的分析效率，結果表明應用該系統后某汽車扭轉梁的剛度性能分析的效率提升92.5%，同時產生了一定的經濟效益。

關鍵詞：智能化設計分析系統;CATIA;扭轉梁

中圖分類號：TU311? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

CAD設計及CAE仿真分析是整車開發工作中重要的一部分，而零部件的CAE仿真分析與CAD設計工作的對接效率是影響整車開發時間長短的重要因素。目前CAD/CAE 技術目前已經貫穿到了汽車研發的整個生命周期，覆蓋了造型設計、結構設計、仿真分析、三維校核、二維數據、模具設計、生產制造等全部過程，實現了利用計算機進行工程設計和分析的目的，其中結構設計和仿真分析是2個非常重要的環節。

近年來，隨著智能化的不斷發展，汽車行業的開發周期越來越短，由原來的36個月縮短到現在的24個月，對工程開發提出了很大的挑戰。如何在保證質量的基礎上提高開發效率、縮短開發周期，這是所有汽車開發工程師在考慮研究的方向。

智能化零部件設計分析系統的研究與開發，將CAE功能集成到CAD設計軟件中，讓產品設計工程師在產品設計階段即可快捷地進行CAE分析，將CAE仿真分析工作更好地與設計工作進行融合，提高了產品設計效率。

該文以傳統扭轉梁為例，介紹了智能化零部件設計分析系統的分析流程，并對開發前后的效率進行了比較研究。

1 扭轉梁簡介

1.1 扭轉梁懸架介紹

扭轉梁是一種典型的非半獨立懸架，主要連接車身，減震器，彈簧及后芯軸，其主要功能是傳遞懸架載荷，支撐彈簧、減震器、后芯軸、制動管路，并滿足幾何學和彈性運動的要求，其結構特征如圖1所示。

1.2 扭轉梁懸架功能

扭轉梁主要由4個部分組成，分別是扭轉橫梁、縱向擺臂、連接襯套、彈簧減震器系統，如圖1所示。這4個部分在車輛系統中所起的作用如下。

（1）扭轉橫梁：用于承受主要垂向和側向力矩扭轉。

（2）縱向擺臂：擺動以傳遞輪心和車身安裝點的力及力矩。

（3）襯套及連接支架：柔性連接于車身，隔振。

（4）彈簧減振器系統： 減振。

另外，硬點位置也是扭轉梁非常重要的參數，硬點主要由車輛動力學性能決定，輪心和車身連接點布置由側傾性能等決定。硬點布置決定了左右輪距、縱臂縱向長度及彈簧盤和減震器形式。

1.3 扭轉梁懸架性能要求

通常來說，進行扭轉梁的選型和前期設計時，應該在設計過程中充分考慮扭轉梁自身的結構特性以及不同截面和接頭的剛度分布等，同時要盡量匹配車身在承載狀況下的變形規律，使扭轉梁能夠順應車身的扭曲，達到兩者剛度盡量相互匹配。所以前期設計階段扭轉梁選型及截面和硬點等參數就要已經要進行充分地考量了。

在傳統的扭轉梁設計流程中，產品設計工程師初步完成CAD設計后，由CAE仿真分析工程師進行性能分析，然后再反饋到產品設計工程師進行設計更改，此過程周期很長;而扭轉梁優化多依靠經驗，CAD/CAE工程師根據各自設計經驗提出優化建議，迭代次數多，周期長。智能化零部件設計分析系統將CAD和CAE工作融合在一起，可以很好地解決這一難題。

2 扭轉梁智能化零部件設計分析

智能化零部件設計分析系統集成了CAE分析標準和分析流程，無需CAE專業工具，即可對扭轉梁進行快捷的剛度性能分析，讓產品設計工程師直觀地看到產品的剛度性能，進而可以對產品結構進行更改。整個流程主要分為4步，所需時間不足1小時，大大提升了扭轉梁設計分析效率。下面對流程分步進行介紹。

2.1 模型和數據處理

首先，進入智能化零部件設計分析后，選擇扭轉梁模塊，系統會對扭轉梁CAD模型、連接信息及接觸對進行自動識別，導入工況表后，自動創建約束與工況。在此模塊中，系統自動批量創建了需要進行分析的工況，用戶可以對工況進行刪除、編輯操作，如果有遺漏的，也可以添加工況，極大地減少了工況創建及編輯的工作量。

2.2 分析模型創建

在模型和數據處理模塊中，對工況及約束設置完成后，點擊進入分析模塊，即可保存前處理文件，進而可以看到可選工況列表中，其中列有需要創建的工況列表，選擇需要進行分析的工況，點擊創建分析模型，系統將會自動創建已選工況的分析模型。

2.2.1 計算

系統創建分析模型完成后，進入計算模塊，在可選工況列表中選擇需要進行計算的工況，點擊計算后，自動進行批量計算，如圖2所示。

2.2.2 分析報告

在后處理模塊中，選擇需要查看并導出的分析報告類型，點擊生成，可以直接查看報告，并保存到本地，如圖3所示。

3 扭轉梁智能化設計分析系統的經濟效益

3.1 分析效率

傳統設計分析流程中，產品設計工程師完成CAD建模后，專業CAE分析工程師進行性能校核，周期長，效率低，如圖4所示，僅前處理就需要近5 h。應用該系統后，對于傳統扭轉梁，前處理很多工作系統自動完成，整個分析工時由原來的4.9 h降低為0.37 h，效率提升92.5%。

3.2 經濟效益

采用該智能化設計分析系統后，分析效率有很大提升，同時也產生了很多經濟效益。

（1）將分析標準和流程集成到系統中，產品工程師無需CAE基礎，即可進行零部件性能分析，指導產品設計，提高零部件設計水平。

（2）將分析標準集成到系統后，產品性能分析穩定性更高，提升了產品設計質量。

（3）實現產品設計和性能分析的無縫銜接，縮短性能分析周期，提升產品設計效率。

4 結語

通過對扭轉梁智能化設計分析系統的開發和研究，使產品設計工程師承擔部分性能評估工作，可以極大地縮短產品設計及性能分析周期，帶來較高的經濟效益。因此，后續對汽車其他子系統的智能化設計分系統的開發和研究是值得嘗試的工作。

參考文獻

[1]金文杰.基于CATIA V5環境下的車身懸置系統開發功能集成及應用[D].成都：電子科技大學，2014.

[2]周桂生， 陸文龍.CATIA二次開發技術研究與應用[J].機械設計與制造，2010（1）：81-83.