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汽车扭转梁常用结构优化方法
2019-12-09 22:58:12· 来源：上汽安全与CAE技术 作者：许诺
扭转梁是一种汽车非独立悬架，普遍应用在A0、A、A+级轿车及A0级SUV上，具有结构简单，易于装配，成本相对较低的优点。扭转梁能够通过自身横梁扭转有效降低整车侧
扭转梁是一种汽车非独立悬架，普遍应用在A0、A、A+级轿车及A0级SUV上，具有结构简单，易于装配，成本相对较低的优点。扭转梁能够通过自身横梁扭转有效降低整车侧倾，不同轴荷车型因整车操作稳定性，对扭梁具备不同的刚度要求。扭转刚度过高，舒适性较差；扭转刚度较低，车身侧倾严重。
扭转梁按照横梁结构可分为开口梁和闭口梁两种。开口梁为横梁单片结构，工艺为冷冲压工艺；闭口梁为横梁封闭结构，成形较为复杂，一般选择液压成形工艺。扭转梁选择开口梁多用于低轴荷车型上，扭梁在横梁厚度较小时即可提供足够的扭转刚度满足侧倾刚度的要求。扭转梁选择闭口梁多用于高轴荷车型，扭梁需要封闭横梁提供较大的扭转刚度，以满足侧倾刚度的要求。扭转梁常用的结构优化方法主要有拓扑优化、参数化优化及形貌优化三种。
1 拓扑优化
拓扑优化是一种在早期确定扭转梁最优传力路径的方法。可以以刚度和应力作为边界条件，以质量为目标，在现有的布置空间中进行材料密度分布最优化。早期在有初步硬点的情况下，可以以此作为先期开发指导。如图1为一种拓扑优化后的密度分布，可以初步确定横梁和纵臂的相对位置，同时高度方向密度分布给横梁走向提供方向，可以作为CAD概念设计方向参考。
图1 拓扑优化结果及解读数模
2 参数化优化
参数化优化是指通过对扭转梁关键参数进行定参设计，同时集成SFE、Nastran、Abaqus等模块，基于ISIGHT做多目标优化方法，笔者通过3年的技术积累，在参数化方面获得了一定技术经验。如图2所示开口梁参数化模型，可实现形状一定范围内快速变化。
图2 参数化模型
如图3所示，开口梁参数化变量主要包括外阔尺寸、形状变量、尺寸变量。这些变量共同决定了横梁应力的趋势及刚度大小。尺寸变量包括横梁和纵臂厚度，横梁厚度直接影响扭梁刚度及耐久性能；而纵臂厚度直接影响滥用性能。
图3 截面选取定义
DOE设计方法选择优化拉丁方超立方法。拉丁方试验设计将因素按水平竖排一个随机矩阵，即拉丁方矩阵，在同一列中任何因素的水平均无重复。如图4所示，优化拉丁方试验设计方法采用正交性较好的初始解，综合考虑拉丁方矩阵的正交性和均匀性。
图4 优化拉丁超立方方法
分别对形状变量及尺寸变量按照优化超拉丁采样试验求得最优解。优化工况为刚度要、耐久、滥用变形性能要求，优化目标为质量最小。优化方法如下：
3 形貌优化
形貌优化是通过节点的移动来改变结构形状，进而定义形状设计变量，通常适合在传力路径和形状分布确定后进行细致设计，可以作为拓扑优化和参数化优化的补充。对封闭梁横梁优化时，可以通过以单元的法向作为节点移动的方向，对横梁内凹面位置进行优化；对开口梁优化时，可以通过形貌优化对加强板加强筋进行优化。
4 总结
扭转梁结构优化的三种方法拓扑优化、参数化优化、形貌优化，适合于不同的阶段。早期通过拓扑优化对传力路径优化作为概念设计的指导参考；CAD数据成熟后，可以通过参数化优化对刚度、耐久进行多目标优化；最后可以通过形貌优化对部分局部特征、加强筋进行细致优化。
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