汽车控制臂优化分析

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control ArmBased on OptiStruct金莹莹麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司上海 201807摘 要：本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了优化前后结构的应力和位移。

结果表明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求，并实现了轻量化的性能需求，体现了拓扑优化技术的工程价值。

关键词： OptiStruct拓扑优化控制臂强度Abstract：The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords：OptiStruct, topology optimization, control arm, strength前言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义。

汽车起重机伸缩臂结构有限元分析及优化汽车起重机伸缩臂结构有限元分析及优化引言：汽车起重机作为一种重要的工程机械设备，在建筑、物流等行业中起着重要的作用。

而在汽车起重机的设计中，伸缩臂结构是其关键组成部分之一。

伸缩臂结构的合理设计和优化可以提高汽车起重机的工作效率和承载能力，降低其重量和成本。

因此，对汽车起重机伸缩臂结构进行有限元分析与优化具有重要的理论意义和实际应用价值。

1. 伸缩臂结构的设计和工作原理汽车起重机的伸缩臂结构由伸缩臂筒、伸缩臂滑块、伸缩臂大臂、伸缩臂小臂等组成。

其工作原理是通过液压系统控制伸缩臂筒的伸缩，从而实现伸缩臂的变化和起重高度的调节。

伸缩臂结构的设计直接影响汽车起重机的工作性能和稳定性。

2. 有限元分析的原理和方法有限元分析是一种数值分析方法，通过将结构离散化为有限个小元素，利用数学和力学原理对每个小元素进行计算，最后得到整个结构的应力、应变、位移等相关信息。

有限元分析方法可以精确计算伸缩臂结构在不同工况下的受力情况，为优化设计提供基础。

3. 初始结构的有限元分析首先，采用有限元分析方法对汽车起重机初始伸缩臂结构进行分析。

通过初始结构的有限元模型建立和边界条件的设定，计算得到伸缩臂结构在不同工况下的受力情况，包括应力、应变、变形等参数。

利用有限元分析结果，可以评估初始结构的工作性能，并确定需要改进的方向。

4. 结构优化设计与分析基于初始结构的有限元分析结果，可以进行伸缩臂结构的优化设计。

结构优化的目标是提高结构的工作效率和承载能力，降低结构的重量和成本。

通过在有限元模型中进行参数化设计和分析，可以获得不同设计方案下的结构性能指标。

综合考虑结构的强度、刚度、轻量化等因素，选择最优设计方案。

5. 优化设计的验证与验证对优化设计方案进行验证与评估是优化过程的重要环节。

通过将优化设计方案转化为实际工艺制造过程中的参数，并制作样件进行实际测试和评估，可以验证优化设计方案的有效性，并进一步优化设计方案。

ABAQUS拓扑优化分析手册/用户手册分析手册：13. Optimization Techniques优化技术13.1 结构优化：概述13.1.1 概述ABAQUS结构优化是一个帮助用户精细化设计的迭代模块。

结构优化设计能够使得结构组件轻量化，并满足刚度和耐久性要求。

ABAQUS提供了两种优化方法——拓扑优化和形状优化。

拓扑优化（Topology optimization）通过分析过程中不断修改最初模型中指定优化区域的单元材料性质，有效地从分析的模型中移走/增加单元而获得最优的设计目标。

形状优化（Shape optimization）则是在分析中对指定的优化区域不断移动表面节点从而达到减小局部应力集中的优化目标。

拓扑优化和形状优化均遵从一系列优化目标和约束。

最优化方法（Optimization）是一个通过自动化程序增加设计者在经验和直觉从而缩短研发过程的工具。

想要优化模型，必须知道如何去优化，仅仅说要减小应力或者增大特征值是不够，做优化必须有更专门的描述。

比方说，想要降低在两种不同载荷工况下的最大节点力，类似的还有，想要最大化前五阶特征值之和。

这种最优化的目标称之为目标函数（Object Function） 。

另外，在优化过程中可以同时强制限定某些状态参量。

例如，可以指定某节点的位移不超过一定的数值。

这些强制性的指定措施叫做约束（Constraint）。

ABAQUS/CAE可以创建模型然后定义、配置和执行结构优化。

更多信息请参考用户手册第十八章。

13.1.2 术语（Terminology）设计区域（Design area）: 设计区域即模型需要优化的区域。

这个区域可以是整个模型，也可以是模型的一部分或者数部分。

一定的边界条件、载荷及人为约束下，拓扑优化通过增加/删除区域中单元的材料达到最优化设计，而形状优化通过移动区域内节点来达到优化的目的。

设计变量（Design variables）：设计变量即优化设计中需要改变的参数。

悬架控制臂多目标拓扑优化康元春;李辉;高赞【摘要】为了对悬架控制臂进行轻量化，并保证轻量化的悬架控制臂仍能满足动静态性能要求，采用了多目标拓扑优化的方法。

首先以控制臂为柔性体在Adams/Car中建立悬架刚柔耦合模型并对该模型进行多体动力学分析，从而得到悬架控制臂在制动、转向及过凸包等极限工况时的边界条件；然后采用惯性释放的方法对悬架控制臂进行有限元静力分析及模态分析，并根据结果分析其动静态性能；再运用折衷规划法对该悬架控制臂进行多目标拓扑优化，并通过正交试验的方法确定目标函数的权重。

最终得到的新控制臂模型重量比原模型降低18.1%，总体刚度及低阶频率都有提高，各极限工况应力均小于许用应力。

结果表明，轻量化的悬架控制臂满足性能要求，验证了设计的合理性。

%To lightweight the suspension control arm and ensure it to meet the dynamic and static performance re-quirements, the multi-objective topology optimization method was adopted. Firstly, Adams/Car was used to estab-lish the rigid-flexible coupling model of suspension system and to get multi-body dynamics analysis. Therefore, the extreme boundary conditions of braking, steering and the convex hull were obtained. Then inertial release was used in finite element static and modal analysis, and dynamic and static performances analyzed according to the results. Finally, compromise programming approach was used to do multi-objective topology optimization, and at the same time, the optimization goal weight was determined by orthogonal test. Compared with the original model,the weight of the new model is reduced by 18. 1%, overall stiffness and lowfrequency are increased, and static stresses in all con-dition are still met. The result indicates that the lightweighted control arm meets the performance requirements. The design of control arm is verified.【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P571-575)【关键词】控制臂;折衷规划法;多目标拓扑优化【作者】康元春;李辉;高赞【作者单位】湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北十堰442002;湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北十堰442002;湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北十堰442002【正文语种】中文【中图分类】U463.82汽车控制臂是一个典型的运动构件，汽车行驶时，其内端始终绕着与车身连接的球铰总成摆动，在进行拓扑优化减轻重量时有其特殊性[1]。

汽车悬架控制臂的开发一、引言1. 设计一个控制臂时，输入条件(1) 载荷条件：一般来讲，系统的载荷已知，但是零件的载荷难于确定(2) 控制臂的最大工作空间：进行控制臂尺寸设计的基本考虑点(3) 软件的选择：可以进行拓扑优化(Hyper-works, Ansys等)(4) A solider modeler：具有高级设计特征，来Capture拓扑优化以后的复杂特征(5) 形状优化软件：减轻重量，同时保持较低的应力水平。

2. 设计流程二、引言对各个步骤的详细解释Step 1A：确定控制臂的设计空间重要性：设计空间的大小与优化结果有关过小：优化的结果只是最优解的一个子集扩大：在一些载荷工况下面，这个部件可能和其它的部件重合。

方法：利用Pro/E 的Behavioral modeling (BMX) 确定设计空间Step 1B: 确定控制臂的载荷利用ADAMS建立悬架的模型，汽车在不同的行驶工况下。

作用在轮胎上的力已知，控制臂和车身或者转向臂的连接点已知。

由此可以确定作用在控制臂上的力。

（仅仅用于初始计算，由于控制臂的形状为初步的）Step 2 初步设计控制臂过重，利用了最大的设计空间，但是连接点的设计要准确。

Step 3: 拓扑优化目标：刚度最大，一阶固有频率最大等等。

约束：重量最轻，减小最大应力等等。

软件：Optistruc、Ansys等Step 4: 利用拓扑优化的结果进行二次设计(1) 考虑制造过程：锻造、铸造还是机加工。

(2) 在进行新的建模时，如何利用拓扑优化的结果Step 5 形状优化(Overall shape optimization)在进行拓扑优化时，没有加应力约束，此时需要进行形状优化。

Step 6：利用形状优化的结果进行第三次设计12% 的weight reduction; 13% stress reduction。

Step 7：考虑控制臂的柔性，确定作用在控制臂上的载荷控制臂的柔性可以改变作用在上面的载荷。

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计金莹莹（观致汽车有限公司，上海200126）摘要：文中基于OptiStruct软件对某项目汽车控制臂进行了拓扑优化设计，并分别对比了三个载荷工况下，控制臂优化前和优化后的应力和位移。

结果表明，拓扑优化后的控制臂的应力在3个工况下都略有增大，但应力值远远小于铸钢材料的屈服极限（650MPa）；拓扑优化后的控制臂的位移在3个工况下都略有增大，但均小于1mm。

这说明，通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的强度要求。

同时，控制臂结构的重量减轻了35%，实现了轻量化的性能需求，这对汽车零部件产品的设计具有一定的参考意义。

关键词：拓扑优化；OptiStruct；控制臂；强度；减重中图分类号：U463.33文献标志码：A文章编号：1002-2333（2018）02-0082-03 Topology Optimization Design for Vehicle Control Arm Based on OptiStructJIN Yingying(Qoros Automotive Co.,Ltd.,Shanghai200126,China)Abstract:This paper carries out topology optimization of the vehicle control arm based on the OptiStruct software.The results show that the stress of the control arm after topology optimization is slightly increased under three operation conditions,but the stress value is much smaller than the yield limit(650MPa)of the cast steel material.The displacements of the control arm after topology optimization under normal conditions are slightly increased,but are less than1mm.This shows that the topology optimization design using OptiStruct software can meet the strength requirements of the structure.At the same time,the weight of the control arm structure is reduced by35%,which achieves the requirement of lightweight performance.Keywords:topology optimization;OptiStruct;control arm;strength;weight reduction0引言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，汽车轻量化越来越被人们广泛重视，因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义[1]。

汽车悬架控‎制臂悬架系统是‎现代汽车上的重要总‎成，对汽车的行‎驶平顺性和‎操纵稳定性‎有很大的影‎响。

控制臂( C o n t r o l a r l T l ，也称摆臂) 作为汽车悬‎架系统的导‎向和传力元‎件，将作用在车‎轮上的各种‎力传递给车‎身，同时保证车‎轮按一定轨‎迹运动。

控制臂分别‎通过球铰或‎者衬套把车‎轮和车身弹‎性地连接在‎一起。

控制臂( 包括与之相‎连的衬套及‎球头)应有足够的‎刚度、强度和使用‎寿命。

汽车摆臂分‎为前摆臂和‎下摆臂，前摆臂是悬‎架的向导和‎支撑，其变形影响‎车轮的定位‎，降低行车稳‎定性；而下摆臂主‎要作用是用‎来支撑车身‎，减震器并且‎缓冲行驶中‎的震动。

减速器对下‎悬挂臂能起‎到好的辅助‎作用，它与减震器‎和弹簧的默‎契配合才能‎构成一套出‎色的悬挂系‎统（总成）。

A.控制臂球铰‎总成结构先介绍两种‎常见结构形‎式的控制臂‎球铰总成。

图1中球销‎6装在球碗2‎内，球碗2 为聚乙烯材‎料制成，避免了球销‎6直接与球座‎1接触。

防尘罩4 上端通过卡‎环5装在球销6‎上，下端通过卡‎环3装在球座1‎上，防尘罩4 通常为橡胶‎材料或者聚‎乙烯材料。

图2 中的球座2‎底部为开放‎式，利用铝制挡‎板1锁止球销8‎,和球碗7脱‎出。

球铰总成通‎常通过球座‎与控制臂臂‎体装配，装配方式为‎球座与控制‎臂臂体锻为‎一体，嵌入、焊接、铆接或者螺‎栓联接。

B.汽车控制臂‎的结构：1.横向稳定杆‎连杆2.横拉杆3.纵拉杆4.单控制臂5.叉( V)形臂 6.三角臂1.横向稳定杆‎连杆在悬架安装‎时，稳定杆连杆‎一端通过橡‎胶衬套或球‎铰与横向稳‎定杆连接，另一端通过‎橡胶衬套或‎球铰与控制‎臂或筒式减‎振器连接，横向稳定杆连‎杆在悬架中‎对称使用，起提高操纵‎稳定性的作‎用。

两种横向稳‎定杆连杆的‎结构图，如图3 、图4所示。

图3 为双衬套稳定杆‎。

臂体2 为锻铝件，橡胶衬套1‎，3与臂体2‎装配时为紧‎配合，因此，橡胶衬套1‎,3与臂体2‎无相对运动‎，图4为双球‎铰稳定杆，臂体2为钢‎制拉杆，球铰总成1‎,3的轴线与‎臂体2的相‎对位置根据‎需求可以设‎计为0°，90°，180°。

编号：LP-RD-RF-0035 文件密级：机密前下摆臂强度分析规范V1.0编制：日期：编制日期审核/会签日期批准日期修订页编制/修订原因说明：首次编制原章节号现章节号修订内容说明备注编制/修订部门/人参加评审部门/人修订记录：版本号提出部门/人修订人审核人批准人实施日期备注目录1 简介 (2)1.1分析背景和目的 (2)1.2软硬件需求 (2)1.3分析数据参数需求 (2)1.4分析的时间节点 (2)2 模型前处理 (3)2.1模型准备 (3)2.2模型检查 (3)2.3模型处理 (3)2.4约束及载荷 (3)3 有限元分析步骤 (5)3.1 分析步设定 (5)3.2 分析文件输出 (6)4 分析结果处理及评价 (6)4.1分析结果查看 (6)4.2评价指标 (6)5 附录 (7)前下摆臂强度分析规范1 简介1.1分析背景和目的前下摆臂对悬架具有导向和支撑作用，其变形影响车轮定位，降低行车稳定性。

前下摆臂与副车架通过衬套进行连接，一定程度衰减路面传递的冲击载荷。

前下摆臂设计性能要求中有前下摆臂失稳、强度、失稳等。

本规范定义了前下摆臂强度分析，考察前下摆臂失稳仿真分析结果是否满足设计要求。

在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此要求其具有很高的强度。

针对底盘元件强度耐久分析，需要提取汽车行驶过程中的一些典型工况（可分为强度工况、疲劳工况），借助多体动力学软件ADAMS仿真得到底盘元件每种工况下各个硬点在三个方向的力和力矩，以此作为输入，经NASTRAN、ABAQUS等有限元软件计算其强度，针对疲劳工况借助于疲劳分析软件nCode DesignLife计算疲劳工况下的损伤以及累计损伤。

1.2软硬件需求软件前处理：Altair Hypermesh；后处理：Altair Hyperview；求解器：abaqus、nastran、ncode；硬件前、后处理：HP或DELL工作站；求解：HP服务器、HP或DELL工作站。