CN110348082A - 一种前束控制臂的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种前束控制臂的设计方法。包括：对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数；确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于性能约束参数，对挤压截面进行拓扑优化，获得挤压截面的材料分布形式；沿挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂；基于性能约束参数，对初版前束控制臂的外观、尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂；对第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂；对第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。可以有效实现前束控制臂的轻量化。

Description

一种前束控制臂的设计方法
技术领域
本发明实施例涉及汽车设计技术领域，尤其涉及一种前束控制臂的设计方法。
背景技术
前束控制臂是汽车底盘悬架***的传力部件之一，它的主要作用是传递副车架和转向节之间的力矩，改变车轮的前束角度。前束控制臂的设计要求结构简单、可靠性好、有一定强度。
挤压型材前束控制臂由铝合金挤压、切割、机加等工序最终成型，相对于钢管焊接或铝合金铸/锻造工艺，具有轻量化、低成本、工艺简单、模具成本低、生产效率高等优点。
前束控制臂的现有设计方法是在对标车或平台车原有控制臂基础上，根据设计经验和性能要求，对原有前束控制臂进行结构和材料分布参考，通过反复有限元计算或试验验证及修改得到满足设计要求的零件，现有设计方法存在以下缺点：
1、若对标车或平台车前束控制臂设计不合理，会导致新设计前束控制臂后续设计不合理，不满足设计要求或设计冗余，且浪费时间和人力；
2、目前主流的控制臂轻量化优化方法多采用拓扑优化，方法比较单一，仅有一个骨架轮廓，结构不够细致，对形貌、尺寸、料厚控制不精确；
3、除了性能和结构外，在挤压型材前束控制臂设计过程中未考虑挤压工艺因素，虽然一些结构优化软件可以考虑冲压和锻造的开模方向，但无法考虑挤压工艺过程带来的尺寸变化和应力变化。
发明内容
本发明实施例提供一种前束控制臂的设计方法，可以有效实现前束控制臂的轻量化，同时降低前束控制臂设计的周期及成本、方法通用且可操作性强。
第一方面，本发明实施例提供了一种前束控制臂的设计方法，该方法包括：
对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数；其中，所述性能约束参数包括：稳态性能参数、疲劳性能参数和模态性能参数；
确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于所述性能约束参数，对所述挤压截面进行拓扑优化，获得所述挤压截面的材料分布形式；
沿所述挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂；
基于所述性能约束参数，对所述初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂；
对所述第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂；
对所述第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
进一步地，对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数，包括：
获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷；
建立参考车前束控制臂的有限元模型，将所述静态载荷和动态载荷输入所述有限元模型，获得稳态性能参数和疲劳性能参数；
基于所述有限元模型进行模态分析，获得模态性能参数。
进一步地，获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷，包括：
根据参考车的路谱试验数据建立多体动力学模型；
计算所述参考车在设定工况下的轮胎接地力，将所述轮胎接地力输入所述多体动力学模型，获得参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷。
进一步地，建立参考车前束控制臂的有限元模型，包括：
对参考车前束控制臂的模拟几何模型进行网格划分，所述模拟几何模型中的球铰和衬套处的连接由刚性连接单元模拟；
对所述模拟几何模型设置材料参数，获得有限元模型。
进一步地，确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于所述性能约束参数，对所述挤压截面进行拓扑优化，获得所述挤压截面的材料分布形式，包括：
根据待设计前束控制臂的最大轮廓确定挤压截面的设计空间；
基于所述性能约束参数，在设计空间内进行拓扑优化，获得优化后的材料分布形式。
进一步地，基于所述性能约束参数，对所述初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂，包括：
对所述初版前束控制臂的曲面及圆角进行平滑处理；
基于所述性能约束参数，调整平滑处理后的初版前束控制臂的尺寸，获得第二版前束控制臂，所述尺寸包括壁厚、圆角半径、内部骨架尺寸。
进一步地，对所述第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂，包括：
对所述第二版前束控制臂按照设定流程进行工艺分析，获得应力和形变分析结果；
根据所述应力和形变分析结果对第二版前束控制臂进行结构调整，获得第三版前束控制臂。
进一步地，对所述第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂，包括：
对所述第三版前束控制臂进行有限元性能分析，获得性能参数；
将所述性能参数和所述性能约束参数进行比对，确定第三版前束控制臂是否合格；
若合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
进一步地，在将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂之后，还包括：
对所述目标前束控制臂按照产品需求进行后期处理；其中产品需求包括倒角、公差、粗糙度、技术要求、相关标准。
本发明实施例提供的前束控制臂的设计方法，首先对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数；然后确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于性能约束参数，对挤压截面进行拓扑优化，获得挤压截面的材料分布形式，再然后沿挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂，再然后基于性能约束参数，对初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂，并对第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂，最后对第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。可以有效实现前束控制臂的轻量化，同时降低前束控制臂设计的周期及成本、方法通用且可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种前束控制臂的设计方法的流程图；
图2是本发明实施例一中的获取性能约束参数的流程图；
图3是本发明实施例一中的前束控制臂优化示例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种前束控制臂的设计方法的流程图，本实施例可适用于对车辆前束控制臂进行设计的情况，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤110，对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数。
其中，性能约束参数包括：稳态性能参数、疲劳性能参数和模态性能参数。稳态性能参数可以包括前束控制臂的刚度、强度等性能参数；疲劳性能参数可以包括前束控制臂的各点处的疲劳寿命及疲劳损伤值；模态性能参数可以包括前束控制臂的前6阶弹性体模态的振型及固有频率。参考车可以是对标车或平台车。图2为本发明实施例中获取性能约束参数的流程图。
具体的，对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数的过程可以是：获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷；建立参考车前束控制臂的有限元模型，将静态载荷和动态载荷输入有限元模型，获得稳态性能参数和疲劳性能参数；基于有限元模型进行模态分析，获得模态性能参数。
其中，获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷的方式可以是：根据参考车的路谱试验数据建立多体动力学模型；计算参考车在设定工况下的轮胎接地力，将轮胎接地力输入多体动力学模型，获得参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷。
路谱试验数据可以是参考车的12通道随机道路载荷谱数据。设定工况包括：垂直工况、转弯工况、倒车制动、最大制动、最大加速、前进手刹、倒车手刹工况、道路试验等。具体的，根据参考车的路谱试验数据获得悬架性能参数，并运用Adams软件建立多体动力学模型，然后将各设定工况下的轮胎接地力输入多体动力学模型，获得参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷。
其中，建立参考车前束控制臂的有限元模型的方式可以是：对参考车前束控制臂的几何模型进行网格划分，几何模型中的球铰和衬套处的连接由刚性连接单元模拟；对几何模型设置材料参数，获得有限元模型。
材料参数包括密度、弹性模量和泊松比等。
本实施例中，将静态载荷作为加载条件输入参考车前束控制臂的有限元模型进行稳态线性分析，获得参考车前束控制臂的刚度、强度等稳态性能参数。可选的，还可以进行屈曲分析，获得参考车前束控制臂的屈曲性能参数。将动态载荷作为加载条件输入参考车前束控制臂的有限元模型进行疲劳分析，获得参考车前束控制臂各点处的疲劳寿命及疲劳损伤值。基于参考车前束控制臂的有限元模型进行自由模态分析，获得参考车前束控制臂的前6阶弹性体模态的振型及固有频率。
步骤120，确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于性能约束参数，对挤压截面进行拓扑优化，获得挤压截面的材料分布形式。
本实施例中，前束控制臂采用挤压工艺制作，而挤压工艺是基于设定截面进行等厚挤压，因此需要确定出待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，且以最大轮廓来建立设计空间。
具体的，首先根据待设计前束控制臂的最大轮廓确定挤压截面的设计空间，然后基于性能约束参数，逐渐降低材料在挤压截面的分布占比，获得优化后的材料分布形式。
本实施例中，在挤压截面中除衬套、球铰区域外的其他区域调整材料的分布占比，以性能约束参数作为限制条件进行调整。即在保证待设计前束控制臂的性能参数不低于性能约束参数的前提下，使得前束控制臂用料最少。
步骤130，沿挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂。
本实施例中，进行三维扩展后，可以获得待设计前束控制臂三维几何模型，确定为初版前束控制臂。
步骤140，基于性能约束参数，对初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂。
具体的，首先对初版前束控制臂的曲面及圆角进行平滑处理，然后基于性能约束参数，调整平滑处理后的初版前束控制臂的尺寸，获得第二版前束控制臂，尺寸包括壁厚、圆角半径、内部骨架尺寸。
本实施例中，可以运用Catia软件进行曲面和圆角的平滑处理。以性能约束参数为限制条件，调节挤压壁厚、圆角半径、内部骨架尺寸，使得前束控制臂质量最轻。示例性的，图3为本发明实施例中前束控制臂优化示例图。
步骤150，对第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂。
具体的，对第二版前束控制臂按照设定流程进行工艺分析，获得应力和形变分析结果；根据应力和形变分析结果对第二版前束控制臂进行结构调整，获得第三版前束控制臂。
其中，设定流程包括模型定位、提取工作带、创建棒料、材料选择、工艺参数、执行计算等步骤。获得应力和形变分析结果，对应力、变形较大部位进行结构调整和优化，改善应力和变形，确保工艺性。
步骤160，对第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
具体的，对第三版前束控制臂进行有限元性能分析，获得性能参数，将性能参数和性能约束参数进行比对，确定第三版前束控制臂是否合格，若合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
可选的，在将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂之后，还包括如下步骤：对目标前束控制臂按照产品需求进行后期处理；其中产品需求包括倒角、公差、粗糙度、技术要求、相关标准。使得设计出的前束控制臂更满足产品要求。
本发明实施例提供的前束控制臂的设计方法，首先对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数；然后确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于性能约束参数，对挤压截面进行拓扑优化，获得挤压截面的材料分布形式，再然后沿挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂，再然后基于性能约束参数，对初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂，并对第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂，最后对第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。可以有效实现前束控制臂的轻量化，同时降低前束控制臂设计的周期及成本、方法通用且可操作性强。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种前束控制臂的设计方法，其特征在于，包括：
对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数；其中，所述性能约束参数包括：稳态性能参数、疲劳性能参数和模态性能参数；
确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于所述性能约束参数，对所述挤压截面进行拓扑优化，获得所述挤压截面的材料分布形式；
沿所述挤压截面的厚度方向进行三维扩展，获得初版前束控制臂；
基于所述性能约束参数，对所述初版前束控制臂的外观、尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂；
对所述第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂；
对所述第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对参考车前束控制臂的性能进行分析，获得性能约束参数，包括：
获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷；
建立参考车前束控制臂的有限元模型，将所述静态载荷和动态载荷输入所述有限元模型，获得稳态性能参数和疲劳性能参数；
基于所述有限元模型进行模态分析，获得模态性能参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷，包括：
根据参考车的路谱试验数据建立多体动力学模型；
计算所述参考车在设定工况下的轮胎接地力，将所述轮胎接地力输入所述多体动力学模型，获得参考车前束控制臂连接点处的静态载荷和动态载荷。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立参考车前束控制臂的有限元模型，包括：
对参考车前束控制臂的几何模型进行网格划分，所述几何模型中的球铰和衬套处的连接由刚性连接单元模拟；
对所述模拟几何模型设置材料参数，获得有限元模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定待设计前束控制臂的挤压截面的设计空间，基于所述性能约束参数，对所述挤压截面进行拓扑优化，获得所述挤压截面的材料分布形式，包括：
根据待设计前束控制臂的最大轮廓确定挤压截面的设计空间；
基于所述性能约束参数，在设计空间内进行拓扑优化，获得优化后的材料分布形式。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述性能约束参数，对所述初版前束控制臂的外观尺寸进行优化，获得第二版前束控制臂，包括：
对所述初版前束控制臂的曲面及圆角进行平滑处理；
基于所述性能约束参数，调整平滑处理后的初版前束控制臂的尺寸，获得第二版前束控制臂，所述尺寸包括壁厚、圆角半径、内部骨架尺寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第二版前束控制臂进行工艺分析，根据分析的结果继续调整第二版前束控制臂的结构参数，获得第三版前束控制臂，包括：
对所述第二版前束控制臂按照设定流程进行工艺分析，获得应力和形变分析结果；
根据所述应力和形变分析结果对第二版前束控制臂进行结构调整，获得第三版前束控制臂。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第三版前束控制臂进行性能分析，获得性能参数，若性能参数合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂，包括：
对所述第三版前束控制臂进行有限元性能分析，获得性能参数；
将所述性能参数和所述性能约束参数进行比对，确定第三版前束控制臂是否合格；
若合格，则将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将第三版前束控制臂确定为目标前束控制臂之后，还包括：
对所述目标前束控制臂按照产品需求进行后期处理；其中安装需求包括倒角、公差、粗糙度、技术要求、相关标准。
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