下载文档原格式
基于CarSim与Isight的悬架特性参数优化设计冯金芝;吴涛;郑松林;赵礼辉【摘要】汽车悬架动力学特性对整车操纵稳定性有着至关重要的影响.为了改善悬架特性,在CarSim中建立整车动力学仿真模型,运用Isight集成CarSim建立了面向整车操纵稳定性指标的悬架特性参数优化设计仿真平台,经DOE分析构建了悬架系统特性参数与稳态回转性能指标之间的响应面模型,运用多岛遗传算法,得到一组悬架子系统特性参数的最优值,从而提高汽车操纵稳定性.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)001【总页数】5页(P33-37)【关键词】Isight;CarSim;悬架;整车性能;实验设计;优化【作者】冯金芝;吴涛;郑松林;赵礼辉【作者单位】200093 上海市上海理工大学机械工程学院;200093 上海市机械工业汽车机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;200093 上海市上海理工大学机械工程学院;200093 上海市上海理工大学机械工程学院;200093 上海市机械工业汽车机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;200093 上海市上海理工大学机械工程学院;200093 上海市机械工业汽车机械零部件强度与可靠性评价重点实验室【正文语种】中文【中图分类】U463.330 引言悬架系统总成的操控动力学特性参数主要是指悬架的K&C特性参数和车轮及悬架的几何定位参数静态设计值[1]。
悬架K&C特性反映了悬架系统的变化情况，会直接影响汽车的操纵稳定性。
文献[2-3]从理论与工程角度介绍了悬架特性参数对整车操纵稳定性、平顺性的影响以及在底盘开发过程中如何对悬架系统进行合理设计。
文献[4]通过对目标车进行灵敏度分析，提出了基于回归模型的悬架系统特性对标和改进方法。
文献[5]利用DOE分析研究了麦弗逊悬架总成参数对整车操控性能的影响。
本文以某轿车麦弗逊前悬架为研究对象，利用Isight软件集成Carsim软件建立整车稳态回转优化仿真平台，对悬架参数进行灵敏度分析，并且采用多岛遗传算法实现对悬架运动特性的优化，从而提高汽车的操纵稳定性。
基于多目标优化的汽车底盘车架设计汽车底盘车架是汽车的骨架，具有承载车身重量、支撑车辆传动系统和悬挂系统等重要功能。
在汽车设计过程中，车架的优化设计对于提高车辆性能、降低燃油消耗和改善乘坐舒适度至关重要。
基于多目标优化的汽车底盘车架设计方法能够在不同目标之间找到最佳的平衡点，为汽车的研发和制造提供了有力的支持。
多目标优化方法允许在设计过程中考虑多个不同但相关的目标，并通过权衡不同目标之间的利益来获得最佳解决方案。
对于汽车底盘车架设计来说，常见的目标包括结构强度、重量和刚度等。
在实际设计中，这些目标之间往往存在矛盾关系，例如增加结构强度可能会导致增加车架的重量，从而影响燃油经济性和悬挂系统的性能。
为了解决这些矛盾，基于多目标优化的汽车底盘车架设计方法提供了一种有效的设计策略。
首先，通过建立适当的数学模型来描述车架的性能指标，如结构强度、重量和刚度等。
然后，利用现代优化算法，如遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等，对车架进行优化设计，以寻求最佳的设计参数组合。
在多目标优化设计中，一个关键的步骤是制定适当的设计变量和约束条件。
对于汽车底盘车架来说，设计变量可以包括材料类型、截面形状、连接方式等。
约束条件可以包括结构强度、刚度、自然频率等。
通过调整设计变量和约束条件，优化算法能够在设计空间中搜索最佳解。
另一个重要的考虑因素是对不同目标的权重设置。
在汽车底盘车架设计中，不同的目标对于车辆性能和成本等方面有不同的影响。
例如，强度和刚度可能对车辆安全性和乘坐舒适度至关重要，而重量和成本则会直接影响汽车的燃油经济性和销售价格。
通过设置不同的目标权重，优化算法可以生成在不同目标之间找到最佳平衡点的解。
多目标优化的汽车底盘车架设计方法具有许多优点。
首先，它可以提供多种解决方案，使设计师能够在不同的设计空间中选择最佳方案。
其次，它可以显著提高车辆性能和综合效益。
通过优化设计，可以提高车架的结构强度和刚度，减轻车身重量，降低燃油消耗，提高行驶稳定性和乘坐舒适度。
前言●Isight 5.5简介笔者自2000年开始接触并采用Isight软件开展多学科设计优化工作，经过12年的发展，我们欣喜地看到优化技术已经深深扎根到众多行业，帮助越来越多的中国企业提高产品性能和品质、降低成本和能耗，取得了可观的经济效益和社会效益。
作为工程优化技术的优秀代表，Isight 5.5软件由法国Dassault/Simulia公司出品，能够帮助设计人员、仿真人员完成从简单的零部件参数分析到复杂系统多学科设计优化（MDO, Multi-Disciplinary Design Optimization）工作。
Isight将四大数学算法（试验设计、近似建模、探索优化和质量设计）融为有机整体，能够让计算机自动化、智能化地驱动数字样机的设计过程，更快、更好、更省地实现产品设计。
毫无疑问，以Isight为代表的优化技术必将为中国经济从“中国制造”到“中国创造”的转型做出应有的贡献！●本书指南Isight功能强大，内容丰富。
本书力求通过循序渐进，图文并茂的方式使读者能以最快的速度理解和掌握基本概念和操作方法，同时提高工程应用的实践水平。
全书共分十五章，第1章至第7章为入门篇，介绍Isight的界面、集成、试验设计、数值和全局优化算法；第8章至第13章为提高篇，全面介绍近似建模、组合优化策略、多目标优化、蒙特卡洛模拟、田口稳健设计和6Sigma品质设计方法DFSS（Design For 6Sigma）的相关知识。
本书约定在本书中，【AA】表示菜单、按钮、文本框、对话框。
如果没有特殊说明，则“单击”都表示用鼠标左键单击，“双击”表示用鼠标左键双击。
在本书中，有许多“提示”和“试一试”，用于强调重点和给予读者练习的机会，用户最好详细阅读并亲身实践。
本书内容循序渐进，图文并茂，实用性强。
适合于企业和院校从事产品设计、仿真分析和优化的读者使用。
在本书出版过程中，得到了Isight发明人唐兆成（Siu Tong）博士、Dassault/Simulia （中国）公司负责人白锐、陈明伟先生的大力支持，工程师张伟、李保国、崔杏圆、杨浩强、周培筠、侯英华、庞宝强、胡月圆、邹波等参与撰写，李鸽、杨新龙也为本书提供了宝贵的建议和意见，在此向所有关心和支持本书出版的人士表示感谢。
第57卷 第1期Vol. 57 No. 12019年1月January 2019农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.01.008基于CarSim与Isight的悬架特性参数优化设计冯金芝1,2，吴涛1，郑松林1,2，赵礼辉1,2（1. 200093上海市 上海理工大学 机械工程学院 ；2. 200093上海市 机械工业汽车机械零部件强度与可靠性评价重点实验室）[摘要]汽车悬架动力学特性对整车操纵稳定性有着至关重要的影响。
为了改善悬架特性，在CarSim中建立整车动力学仿真模型，运用Isight集成CarSim建立了面向整车操纵稳定性指标的悬架特性参数优化设计仿真平台，经DOE分析构建了悬架系统特性参数与稳态回转性能指标之间的响应面模型，运用多岛遗传算法，得到一组悬架子系统特性参数的最优值，从而提高汽车操纵稳定性。
[关键词] Isight； CarSim；悬架；整车性能；实验设计；优化[中图分类号] U463.33 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)01-0033-05Optimization Design of Suspension Characteristic Parameters Based on CarSim and IsightFeng Jinzhi1,2, WuTao1, Zheng Songlin1,2, Zhao Lihui1,2(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Machinery Industry Key Laboratory for Mechanical Strength and Reliability Evaluation of Auto Chassis Components, Shanghai 200093, China) [Abstract] Vehicle suspension motion characteristics have a crucial influence on vehicle handling stability. In order to improve the suspension performance, vehicle dynamics simulation model was established in CarSim based on the vehicle parameters, Isight integrated CarSim was used to establish the integrated optimization design of simulation platform for suspension characteristic parameters of the vehicle steering stability index. By DOE analysis, the model of response surface between suspension characteristic parameters and the steady-state performance index was constructed. Using multi-island genetic algorithm, a set of optimal values of suspension system parameters was achieved, so as to improve vehicle handling and stability.[Key words] Isight; CsrSim; suspension; vehicle performance; experimental design; optimization0 引言悬架系统总成的操控动力学特性参数主要是指悬架的K&C特性参数和车轮及悬架的几何定位参数静态设计值[1]。
文章编号:1008-7842(2010)02-0019-03基于iSIGHT 的铁道车辆横向稳定性优化设计钟 睦,曹炜洲,黄尊地(中南大学 交通运输工程学院,湖南长沙410075)摘 要 提出了一种铁道车辆横向稳定性的优化集成设计方法,其基本原理是采用多体系统动力学分析软件SIMPAC K 建立铁道车辆动力学模型,采用优化软件iSIGH T ,实现与SIMPAC K 的数据传递与过程集成,运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化策略,对铁道车辆悬挂参数进行优化设计,提高铁道车辆的临界失稳速度,改善其横向稳定性。
实际分析计算表明,该设计方法可显著提高设计效率。
关键词 车辆;稳定性;优化;iSIGH T ;SIMPAC K;多岛遗传算法;序列二次规划中图分类号:U270.1+1 文献标志码:A 机车车辆在直线轨道上运行时,会产生具有自激振动特性的蛇行运动,通常称为横向稳定性。
当机车车辆失稳时,自激振动会变得十分激烈,导致车辆运行品质的恶化、部件磨损和疲劳的加快,也限制了列车速度的提高,甚至危及行车安全。
因此提高横向稳定性是机车车辆设计的一个重要方面。
1 理论基础铁道机车车辆系统的运动微分方程组可表示为[1]:[M ]{¨q }+{[C ]+[C WR ]v}{ q }+{[K ]+[K WR ]}{q }=0(1)式中[M ]为惯性矩阵;[C ]为黏性阻尼矩阵;[C WR ]为蠕滑阻尼矩阵;[K ]为刚度矩阵;[K WR ]为蠕滑刚度和接触刚度矩阵;[q ]为位移向量(列矩阵);v 为车辆运行速度。
系统的稳定性可根据式(1)的特征值来判别。
如果特征值的实部出现正数,则系统失稳。
系统特征值与车辆运行速度有关,系统开始失稳时对应的速度称为临界失稳速度。
临界失稳速度反应了横向稳定性的优劣。
临界失稳速度越高,横向稳定性越好。
在机车车辆设计中,可以通过合理选择悬挂参数,来获得较高的临界失稳速度。
基于Isight∕Nastran的车渡船跳板结构优化设计车渡船是一种用于运输汽车或其他车辆的船只，而跳板结构是车辆驶入或离开车渡船时必须经过的部分。
因此，跳板结构的设计对于车渡船的安全运营具有至关重要的作用。
现在，我们将使用Isight/Nastran这对辅助工具，进行一个车渡船跳板结构的优化设计。
首先，我们将利用CATIA V5建立跳板模型，并设计出需要考虑的几个参数。
第一个参数是跳板自重，第二个参数是跳板限制挠度，第三个参数是跳板承受的最大荷载。
接下来，我们使用Isight对这些参数进行优化。
在Isight中，我们将先设定我们要优化的目标，也就是减小跳板自重、限制挠度和增加承载荷载。
然后，我们将给出参数的上下限范围，以确保优化结果的物理可行性。
接下来，我们利用Nastran进行跳板结构的仿真。
Nastran是一种常用的有限元分析软件，可以使用它对跳板结构进行受力分析，计算出其在不同荷载条件下的应力和位移。
在这个步骤中，我们将采用一种叫做静态力学分析的技术，通过对跳板进行不同荷载的受力分析，然后根据分析结果进行优化设计和调整。
最后，我们通过调整参数和重复运行仿真，直到达到最优化的跳板结构。
这个跳板结构必须符合我们的目标，即自重轻、挠度小、承载量高。
同时，这个结构还必须满足各种物理约束和实用需求，例如安全性、可靠性、耐久性等。
因此，在优化过程中我们需要综合考虑这些要素。
总之，基于Isight/Nastran工具的车渡船跳板结构优化设计，为车渡船跳板结构的设计和安全运营提供了很大帮助。
这种实用工具的引入，将大大提高跳板结构的设计效率和准确性。
在进行车渡船跳板结构优化设计之前，我们需要首先了解相关的数据并进行必要的分析。
以下是一些与车渡船跳板结构相关的数据：1. 跳板自重：根据船型和船舶规模不同，跳板自重范围在5-20吨之间。
这个数据是在设计船舶时必须考虑的一个关键参数，过重的跳板会增加整个船舶的负荷，降低运载效率。
商用车架多学科优化设计潘淑华 李保国 李继川 一汽技术中心结构强度研究室 赛特达科技有限公司【摘 要】在商用车设计过程中，引入过程集成、流程自动化和参数化设计概念，并利用 Morph 功能实 现有限元网格自动化生成，在满足 7 种加载工况和由应力、频率、静态刚度的约束的前提下， 利用 Abaqus 软件进行仿真，通过优化方法实现车架质量最小。
实践证明，减重效果明显。
【关键词】商用车 多学科优化 有限元 参数化设计1项目意义随着原材料的涨价，载货的限定，汽车结构的优化设计是迫切的需求。
减轻汽车自身 质量一方面节约了原材料，降低了生产成本；另一方面也降低了燃油消耗，减少了排放， 有利于环保要求。
优化设计是近年来发展并应用起来的一门技术，已经应用到结构设计的各个方面，车 架设计也正在多方面引入了优化设计的概念。
为了在产品设计阶段进行优化概念设计，我们首先对车架特性进行深入细致的研究， 主要集中在车架静、动态方面。
车架的强度、刚度是其承载性能的主要指标，模态是整车 振动特性及部件匹配的指标，按特性指标控制进行车架结构的参数优化设计，运用 isight 集成、驱动 hypermesh、abaqus 等软件，考虑工程制造的可行性，获得最优的车架结构纵、 横梁位置布局，合理的纵、横梁及连接板的厚度匹配，综合获得最优的设计方案，节省材 料，降低成本。
2车架分析方案制定2.1 总体优化方案在车架设计中，各部件总成质量分布如下图，从图中可以发现在车架减重优化中，纵 梁、纵梁内加强梁、纵梁前端、纵梁后部加强板是一个关键因素，其占整个车架质量的 63.9%，其次为大支架（为铸造件）及连接件（为铸造件），各横梁总成质量相差不大。
因 此用 2 个阶段实现车架优化目标：第一阶段，从刚度、模态角度考虑，建立车架分析的梁 模型，通过调整各个车架各个断面的尺寸、横梁支架的位置关系，获得车架断面尺寸、横 梁位置的最佳匹配，起到一定的优化布局的作用；第二阶段，在断面尺寸优化的基础上， 建立有板壳单元组成的详细模型，开展强度、刚度、模态联合仿真优化，确定车架的最佳 尺寸匹配和板厚匹配，达到减小车架质量的目的。
1700 600 500 400 300 200 100 0架 支 桥 后 前 桥 架 加 前 强 桥 版 加 强 版 纵 梁 外 纵 梁 纵 内 第 梁 一 前 横 端 第 梁 二 总 横 成 第 梁 三 总 横 成 第 梁 四 总 横 成 第 梁 五 总 横 成 第 梁 六 总 横 成 第 梁 七 总 横 成 第 梁 八 总 横 成 第 梁 九 总 横 成 梁 总 成 支 后图 1 商用车架各个总成占总质量的百分比2.2 分析工况考虑到车辆使用过程工况的不确定性，在车架设计过程中，要综合考虑冲击载荷下的 强度、刚度、振动频率等的影响。
车架的分析工况很多，在本次优化中，依据经验我们重 点考虑的工况有车架前扭转工况、后扭转工况、弯曲载荷工况、侧向弯曲工况、弯曲刚度 计算、扭转刚度计算、振动频率等 7 种工况，在分析过程中，利用 Abaqus 软件中的载荷步 功能，实现 7 个工况的依次加载和计算。
3优化分析3.1 车架布局优化3.1.1 建立分析模型 在车架优化设计的第一阶段，分析和优化的主要目的是获得车架的最佳布局。
因此， 采用空间梁单元模拟车架的纵、 横梁， Abaqus CAE 软件中建立车架有限元模型 在 （如图 2） 。
采用梁单元可以快速的改变车架的断面尺寸、截面形状等，同时，计算效率高。
在该阶段， 主要考查车架性能指标和约束，包括；计算车架的弯曲和扭转刚度、振动模态等关键性能 指标与车架总质量的关系。
优化过程利用 Isight 软件集成该仿真流程，使用试验设计、优 化方法改进设计，在满足约束条件，模态频率不降低、刚度不降低的条件下，以质量最轻 或体积最小为目标进行优化设计。
Isight 软件中集成 Abaqus 软件和计算车架弯曲、扭转刚 度如图 3。
图 2 Abaqus 软件中建立车架概念设计模型桥2图 3 利用 abaqus 仿真数据，弯曲、扭转刚度等设计约束和目标3.1.2概念模型实验设计和优化分析试验设计（Design of Experiment，简称 DOE）是一种以概率论和数理统计为理论基础， 科学地安排多因素试验的一类实用性很强的数学方法。
DOE 思想最早由 Fisher 在二十世纪 二十年代提出，用于研究雨水、浇灌以及日照等情况对农作物产量的影响。
二十世纪六十 年代， 日本科学家 Taguchi 博士经过深入研究， DOE 技术用于制造业， 将 帮助获得低成本、 高质量的产品。
二十世纪八十年代以来，涌现出了更多 DOE 方法，并在更加广泛的领域得 以应用。
随着企业硬件能力的提高和各种成熟的 CAE 软件应用，DOE 由传统物理试验领域扩 展到仿真虚拟试验。
DOE 技术能够帮助我们克服这些困难，有效的开展优化工作，其用途 包括： 获得设计空间信息：变量如何影响目标函数和约束、设计变量之间交互效应等； 进行敏度分析，确定关键设计变量，减少优化问题规模，提高优化效率； 获得结构化的样本库，构建为优化使用的数据回归模型； 帮助找到改进方向、直接得到优化的方案。
本次优化采用优化拉丁方法做实验设计方法，具体分析结果见下图 4、5、6。
从图中 可以确定车架参数对一阶弯曲、扭转频率、弯曲刚度、扭转刚度和质量等影响程度。
利用 帕累托图，可以帮助设计者识别“有用的多数”和“关键的少数”，抓住关键因素，更快 的改进设计方案。
图 4 一阶侧向、扭转模态帕累托图3图 5 车架扭转刚度、弯曲刚度帕累托图图 6 一阶弯曲模态、车架总质量帕累托图r=∑ (x − x )( yi =1 i n n i =1 i =1ni− y)2 2 ∑ (xi − x ) ∑ ( yi − y )图 7 设计变量与设计约束、目标之间相关性图相关性按照上面公式计算，由于设计变量和设计目标、约束个数众多，在上图显示中， 只显示相关性大于 0.7 的值。
通过相关性分析，可明确设计变量和约束之间、约束相互之 间的线性相关程度。
3.2 车架详细模型优化3.2.1 建立分析模型 根据车架多年分析经验，在该车架重点关注部位定义应力约束，保证车架强度要求。
同时，满足车架静态、动态刚度性能要求。
在详细有限元模型上各个设计变量位置如下图 8。
设计变量包含可变板厚、可移动前后横梁位置、可调纵梁高度（图 9）等。
依次考虑强4度、刚度、振动等 7 个工况，此次优化共有设计变量 24 个，设计约束 22 个。
其中，网格 变形由 Morph 功能实现。
图 8 有限元模型中，可以改变横梁位置的设计变量位置图 9 有限元模型中，车架纵梁高度变化范围3.2.2优化分析工程问题上，由于问题的复杂性，24 个设计变量、22 个设计约束，设计规范等无法证 明该优化问题为凸区间、单峰问题或者是线性规划还是非线性规划问题。
因此在具体优化 算法旋转上，本次计算采用 Pointer 优化算法，该算法自动组合 GA、Downhill Simplex、 NLPQL、Linear solve 等四种方法，能够自动兼顾全局、局部最优解；同时，遗传算法和数 值类算法的结合，可以提供计算效率。
5图 10商用车架多学科仿真图XY 散点图根据值系列的 X 值和 Y 值将每个值系列显示为图表空间中的不同数据点。
典型的散点图包含有值的非聚合表达式。
通过 2D 散点图检验设计变量在设计空间内的分 布，可以在优化过程中检测各个设计变量的变化范围，防止漏掉对某个设计空间的探索。
见图 11。
图 11 车架纵梁设计空间内 2D 散点图图 11 中，红线代表设计变量取值上限，蓝线带设计变量取值下限，红色点代表不可行 （违反设计约束的）设计方案，黑色点代表可行设计方案，绿色表示最优设计方案。
图 12 车架弯曲刚度、扭转刚度优化历史图6图 13 车架总质量优化历史图3.2.3优化前后结果对比通过比较最优方案和初始方案的模态振型， 可以判定在优化过程中是否发生模态偏移， 下图 13 为一阶扭转模态模态振型对比，从中可知均为扭转模态振型。
图 13 优化前后车架模态振型对比图 14 商用车车架总质量与设计变量纵梁、横梁数据回归分析结果图形显示利用优化分析数据做数据回归分析，产生设计变量与约束、优化目标之间的相关函数， 三维显式如图 14 显示，在其他设计变量值不发送改变情况下，纵梁、加强梁组成的设计空 间内，总质量的等高线分布情况。
随着车架总质量的减少，首先不能满足的约束条件是扭 转刚度约束，其次是侧弯、后扭、前扭工况的应力约束。
4结论通过对商用车架有限元分析流程的集成和自动化，可以得出如下结论：71、在产品概念设计、车架结构布局阶段，使用参数化的方法建立分析模型，以实 验设计开展分析， 可以帮助开发人员快速的识别各个设计变量对约束的影响关 系，该结构化设计方法利于在企业推广使用；在本工程问题中，利用实验设计 和优化方法，可在梁模型上实现减低车架质量 10%； 在详细模型中，通过优化可以减低车架质量 7.2%。
同时，对优化数据进行回 归分析，可以看到随着车架质量的减低，首先违反的设计约束。
帮助设计人员 识别设计空间； 商用车架有限元分析流程可以做到参数化、自动化，该自动化过程能够提高企 业产品开发效率； 获得稳健的经济的轻量化车架设计方案， 提高产品设计质量。
项目的完成能够推动集成优化技术在部件、总成及整车系统分析中的应用。
2、3、 4、展望未来，在优化过程中，将考虑离散、可靠性优化。
即考虑加工车架的原材料信息 和加工使用过程中的各种不确定性。
[参考文献] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 余志生 主编 汽车理论 机械工业出版社 徐俊 主编 机械设计大典 江西科学技术出版社 Simulia Abaqus help Simulia Isight 4.5 help 郑大素 江允正 主编 最优化方法及实用程序 机械工业出版社 李德信 SX360 白小兰 周国新 石常青 自卸车车架异常断裂原因分析静动态 《汽车工程》2002(4) 《现代制造技术与装备》2006（2） 《机械工程与自动化》2005（10）车架静强度有限元分析 车辆车架的强度分析货车车架的有限元分析及车厢对其性能的影响《设计、计算、研究》2004（4）8。
