基于ABAQUS/CAE的某乘用車后下控制臂拓撲優化設計

王振東，李德淯，伍初東

基于ABAQUS/CAE的某乘用車后下控制臂拓撲優化設計

王振東1，李德淯2，伍初東1

（1.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南 長沙 410205；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545006）

文章介紹了利用ABAQUS/CAE對某乘用車后下控制臂進行拓撲優化設計。在通過模擬整車實際惡劣工況對其進行加載及約束，并結合ABAQUS/CAE中的優化模塊下對控制臂進行拓撲優化參數設計，計算求解得出最優的減重方案，并提供給設計工程師對控制臂逆向建模。最后對設計的新結構進行應力分析校核，校核結果顯示優化后的新結構滿足剛強度設計要求。

ABAQUS；控制臂；拓撲優化；輕量化；剛度

引言

拓撲優化技術作為以提高結構性能或減輕結構質量為目標的一種新型結構設計方法，目前已廣泛在國內外汽車企業得到成功應用[1]。隨著汽車工業的快速發展和日益突出的能源問題，汽車輕量化越來越被人們廣泛重視。汽車懸架控制臂是汽車懸架系統中的重要構件，懸架零部件的輕量化不僅能降低油耗，也能提高行駛的操作性能，從而提高整車的穩定性和舒適性。因此在控制臂概念設計階段中，就要同時考慮既要滿足剛強度目標，又要盡可能設計得更輕。然而在探索對零部件的輕量化并不是一件簡單的事情。在傳統的初始設計中，通常會反復對有限元分析出的結果和實驗校核的形式去實現輕量化目標，且結果往往也達不到理想的輕量化。文章中將會介紹利用ABAQUS/CAE中的拓撲優化模塊下對控制臂進行拓撲優化分析，以縮短零件的開發周期，并滿足輕量化設計的目標。

1 ABAQUS/CAE拓撲優化技術簡介

從Abaqus6.11開始，ABAQUS/CAE新增加了優化模塊，采用了專業拓撲優化軟件TOSCA的核心進行優化計算，簡稱ATOM（Abaqus Topology Optimization Module），從此標志著Abaqus開始從分析向設計優化進軍。拓撲優化是一個在最小化/最大化目標的同時給出所約束的材料的布局的過程。[2]具體過程是以包含指定邊界條件和載荷的初始設計開始，在符合目標函數和幾何約束，比如最小體積或者最大剛度的前提下，改變初始設計區域的單元密度從而確定結構新的材料分布方式。拓撲優化同時還需要考慮標準產品制造過程。例如鑄造和沖壓。可以凍結指定區域、脫模約束等。

2 控制臂有限元模型的建立

2.1 網格處理

文中利用前處理軟件Hypermesh 劃分控制臂優化前的有限元模型。將控制臂初始結構設計模型從UG中導出stp格式，然后導入到Hypermesh，并在Hypermesh對其進行網格建模，網格繪制標準按照相關規范執行。控制臂分為優化區域和套筒區域，均采用3mm尺寸的四面體單元C3D4，套筒內的創建采用RB2剛性連接，以套筒的中心點主節點，如圖1所示。最后將劃分好的網格導出inp文件，并將網格inp導入ABAQUS/CAE。

圖1 控制臂初始結構的網格模型

2.2 ABAQUS/CAE模型搭建

在ABAQUS/CAE中需要創建材料截面、裝配零件、分析步的建立、建立連接關系、載荷邊界的設定。

材料截面設置：控制臂優化區域和套筒的材料設置20#鋼，其中，彈性模量為210000Mpa，泊松比為0.3，密度為7.845E-09t/mm3，屈服強度為245MPa。材料截面創建為實體均質屬性，并對控制臂賦予材料截面。分析步的設置：創建靜力通用分析步，打開幾何非線性。連接關系設置：在控制臂前點和后點分別創建非線性襯套連接。

邊界載荷設置：在整車上的實際路試使用過程中，有十幾種工況，受篇幅所限，文中只對整車中三種典型惡劣路試工況進行有限元分析。如表1中所示。

表1 控制臂載荷工況對比 力N；扭矩N.mm

3 控制臂拓撲優化的建立

3.1 拓撲優化參數設置

在ABAQUS/CAE的優化模塊中需要創建優化任務、創建設計響應、目標函數、約束、幾何約束等。

創建優化任務：選擇整個擺臂單元。創建設計響應：創建應變能、體積響應。創建目標函數：創建應變能最小設計響應。創建約束：體積約束小于等于原模型的70%。創建幾何約束：凍結套筒單元、雙向拔模方向等的幾何約束。

3.2 拓撲優化結果及逆向建模

圖3是經過多次優化循環拓撲優化后的結果。實際逆向模型的時候會考慮實際制作工藝、結構形狀等，以及根據應力分布趨勢進而調整部分厚度。因此最后得到的控制臂如圖4所示。

圖2 優化結果和UG逆向模型

4 控制臂拓撲優化前后剛強度對比

4.1 控制臂拓撲優化前后強度對比

為了檢驗控制臂優化方案的強度是否滿足要求，將根據優化結果逆向出的控制臂與初始結構進行對比。

圖3 過單側深坑應力對比

圖4 極限轉向工況應力對比

圖5 向前緊急制動工況應力對比

表2 控制臂載荷強度應力對比 應力Mpa

4.2 控制臂拓撲優化前后剛度對比

從保證汽車安全性角度考慮，對控制臂在X、Y上的剛度有一定的設置要求。在進行控制臂的剛度計算時，根據規范約束各襯套安裝點，經過拓撲優化前后剛度對比，計算得到的控制臂的剛度見表3。

表3 控制臂載荷剛度對比 剛度N/mm

4.3 控制臂拓撲優化前后重量對比

重量方面，優化前，控制臂重為7.5kg，拓撲優化后，控制臂僅重5.5kg，減重比26.6%，且優化后的應力安全系數均大于1.00。可見，在實際工程應用中利用拓撲優化技術對于零件的設計輕量化起到較為突出的表現。

5 結語

文中通過有限元技術和結構拓撲優化理論相結合的方法對某項目汽車控制臂進行了拓撲優化，分析結果表明，利用ABAQUS軟件得到的拓撲優化結果滿足結構的剛強度要求，結果既滿足了制造加工可行性的約束條件，也滿足了控制臂設計的輕量化，重量上比優化前減輕了26.6%。由于篇幅有限，文中只對整車中三種典型惡劣路試工況進行優化分析，分析結果對實際工程設計也能起到重要指導作用。

[1] 毛春升.一種汽車控制臂拓撲優化方法研究[J].時代汽車,2017(8): 116-118.

[2] 金瑩瑩.基于OptiStruct汽車控制臂的拓撲優化設計[J].機械工程師,2018(2):82-84.

[3] 趙清海,張洪信,朱智富,蔣榮超,袁林.汽車懸架控制臂的可靠性拓撲優化[J].汽車工程,2018,40(3):313-319.

[4] 上官文斌,蔣翠翠,潘孝勇.汽車懸架控制臂的拓撲優化與性能計算[J].汽車工程,2008,30(8):709-712.

Topology optimization design of a passenger vehicle rear lower control arm based on ABAQUS/CAE

Wang Zhendong1, Li Deyu2, Wu Chudong1

( 1.Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Co., Ltd., Hunan Changsha 410205; 2.SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006 )

In this paper, ABAQUS/CAE will be used to optimize the topology design of the rear and lower control arm of a passenger car.In by simulating actual condition of the vehicle to load and constraints, combined with the optimization module of ABAQUS/CAE topology optimization parameter design for control arm, calculated to solve the optimal weight loss plan, and provide design engineers to control arm reverse modeling, and finally to design a new structure of the stress analysis and checking, to check whether meet the requirements of structural strength stiffness design.

ABAQUS;Control arm; Topology optimization; Lightweight;Stiffness

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.015

U463

A

1671-7988(2021)04-47-03

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王振東（1991.10-），男，底盤CAE工程師，就職于廣西艾盛創制科技有限公司工程分析部，從事底盤零部件仿真研究工作。