轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化方法研究

发布时间：2017-09-18 06:30

  本文关键词：轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化方法研究

  更多相关文章： 悬架零部件 轻量化设计 疲劳寿命 整车性能匹配 结构综合贡献系数 近似模型 多目标优化

【摘要】：汽车轻量化技术是实现节能减排的重要途径之一,轿车悬架系统零部件的轻量化设计是整车轻量化的重要组成部分,但是作为底盘关键承载件,其载荷工况复杂,极易引起疲劳失效,而轻量化设计往往会提高结构应力水平,降低疲劳寿命。同时,悬架系统与行驶平顺性和操纵稳定性等整车性能密切相关,对悬架系统零部件轻量化设计时,需考虑悬架结构参数改变对整车性能的影响。因此,轿车悬架零部件的疲劳寿命预测、轻量化设计、以及轻量化设计过程中悬架参数与整车性能的优化匹配是轿车底盘设计开发的关键技术,也是悬架系统开发设计中的研究热点。本文以装配麦弗逊式前悬架和扭转梁式后悬架的某A0级轿车为研究对象,结合多体系统动力学理论和有限元方法构建其整车刚柔耦合虚拟样机模型,研究前悬架下控制臂和后悬架扭转梁的疲劳寿命预测方法,并考察悬架结构参数变化对整车性能的影响,在此基础上,综合考虑下控制臂和扭转梁的质量、疲劳寿命、刚度和模态频率等结构性能指标,以及行驶平顺性和操纵稳定性等整车性能指标,建立轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化的设计流程,为轿车底盘的自主设计研发提供技术参考依据。首先,采用Adams/Car软件建立考虑前悬架下控制臂和后悬架扭转梁柔性的整车刚柔耦合多体动力学模型,通过对比悬架KC特性的试验与仿真结果,验证了前后悬架系统动力学模型的准确性;利用随机输入行驶平顺性试验、以及稳态回转和转向回正试验,验证了所建整车刚柔耦合模型的准确性,为后续研究工作提供了模型基础。其次,根据汽车试验场耐久性路面参数,构建了包括鹅卵石路、搓板路和比利时路的虚拟试验场耐久性组合路面模型,并将其与整车刚柔耦合模型集成在一起,进行整车耐久性仿真分析。根据前悬架下控制臂和后悬架扭转梁的结构特性,分别采用准静态法和模态应力恢复法计算得到了下控制臂和扭转梁的动态应力时间历程,并利用名义应力法对其进行疲劳寿命预测。针对下控制臂和扭转梁结构参数对不同悬架性能指标的贡献度不同、难以确定其对悬架性能影响程度的问题,通过试验设计方法计算了下控制臂和扭转梁各结构参数对悬架性能的贡献度,再利用熵权法和TOPSIS方法计算每个参数的结构综合贡献系数,并以此为评价指标确定出了对悬架性能影响较大的结构参数,并将其作为设计变量用于整车性能优化匹配。综合考虑行驶平顺性和操纵稳定性,采用近似模型方法和NSGA-II算法对前后悬架参数进行多目标优化,获得了使整车性能整体上得到改善的优化方案,并通过整车性能仿真分析验证了该优化方案的可行性。然后,采用变密度法对前悬架下控制臂和后悬架扭转梁横梁进行了拓扑优化,根据拓扑优化结果重构了下控制臂和扭转梁横梁结构,基于网格变形技术,利用自由变形和基于控制块的变形方法建立了下控制臂和扭转梁的参数化模型,并定义了用于轻量化研究的设计变量。以前文研究工作为基础,综合考虑质量、疲劳寿命、刚度和模态频率等结构性能指标、以及行驶平顺性和操纵稳定性等整车性能,结合Kriging近似模型和NSGA-II多目标优化算法对下控制臂和扭转梁进行了尺寸优化和形状优化,提出了下控制臂和扭转梁的轻量化设计方案。对比分析了轻量化前后下控制臂和扭转梁结构性能、以及整车性能的变化情况,结果显示,在保证各项性能满足设计要求的情况下,实现了下控制臂和扭转梁的轻量化设计。为了能够客观、合理的评价悬架零部件的轻量化设计效果,综合考虑质量、结构性能和整车参数等多方面因素,提出了下控制臂和扭转梁轻量化系数的计算方法,比较分析了轻量化前后下控制臂和扭转梁的轻量化系数,结果表明该系数能够对下控制臂和扭转梁轻量化水平进行分析与评价。最后,根据轻量化方案试制了后悬架扭转梁样件,对其分别进行了自由模态、扭转刚度、强度、垂向扭转疲劳和上外30°方向弯曲疲劳试验,结果表明扭转梁样件质量比优化前明显降低,并且各项性能满足要求,进一步验证了扭转梁轻量化方案的有效性。
【关键词】：悬架零部件 轻量化设计 疲劳寿命 整车性能匹配 结构综合贡献系数 近似模型 多目标优化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.33
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-38
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 国内外相关研究综述16-34
• 1.2.1 汽车轻量化技术研究综述16-27
• 1.2.2 汽车疲劳耐久性分析研究综述27-31
• 1.2.3 整车性能匹配研究综述31-34
• 1.3 本文主要研究内容34-38
• 第2章 整车刚柔耦合模型建立及验证38-58
• 2.1 柔性多体系统动力学基本理论38-39
• 2.2 整车刚柔耦合模型的建立39-52
• 2.2.1 轮胎动力学建模39-42
• 2.2.2 前悬架系统建模及验证42-47
• 2.2.3 后悬架系统建模及验证47-50
• 2.2.4 整车刚柔耦合模型的建立50-52
• 2.3 路面模型的建立52-53
• 2.4 整车模型试验验证53-57
• 2.4.1 行驶平顺性试验验证54-55
• 2.4.2 操纵稳定性试验验证55-57
• 2.5 本章小结57-58
• 第3章 基于虚拟试验场的悬架零部件疲劳寿命预测方法研究58-72
• 3.1 疲劳分析基本理论58-61
• 3.1.1 疲劳寿命预测方法58-59
• 3.1.2 循环计数方法59-60
• 3.1.3 疲劳损伤累积理论60
• 3.1.4 动应力计算方法60-61
• 3.2 虚拟试验场耐久性路面建模61-62
• 3.3 前悬架下控制臂疲劳寿命预测62-67
• 3.3.1 基于惯性释放法的下控制臂有限元静力分析62-64
• 3.3.2 下控制臂动态载荷时间历程64-66
• 3.3.3 下控制臂疲劳寿命预测66-67
• 3.4 后悬架扭转梁疲劳寿命预测67-71
• 3.4.1 模态应力恢复理论67-68
• 3.4.2 扭转梁模态应力恢复结果68-70
• 3.4.3 扭转梁疲劳寿命预测70-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第4章 整车行驶平顺性和操纵稳定性优化匹配72-100
• 4.1 影响整车性能的悬架系统特性参数研究72-77
• 4.1.1 悬架动力学特性对整车性能的影响72-76
• 4.1.2 悬架K&C特性对整车性能的影响76-77
• 4.2 前后悬架系统性能仿真分析77-81
• 4.2.1 左右车轮平行跳动工况78-79
• 4.2.2 同向侧向力工况79
• 4.2.3 前后悬架偏频和阻尼比79-80
• 4.2.4 悬架性能参数仿真计算结果80-81
• 4.3 下控制臂和扭转梁结构参数对悬架性能的影响81-88
• 4.3.1 基于熵权法和TOPSIS法的结构综合贡献系数计算方法82-83
• 4.3.2 下控制臂参数对前悬架性能的影响83-86
• 4.3.3 扭转梁参数对后悬架性能的影响86-88
• 4.4 整车性能多目标优化88-98
• 4.4.1 近似模型方法和NSGA-II优化算法88-92
• 4.4.2 整车性能多目标优化问题的定义92-94
• 4.4.3 近似模型的建立及误差分析94-96
• 4.4.4 整车行驶平顺性和操纵稳定性多目标优化96-98
• 4.5 整车性能匹配优化结果验证98-99
• 4.6 本章小结99-100
• 第5章 下控制臂和扭转梁轻量化多目标优化方法研究100-120
• 5.1 下控制臂和扭转梁结构拓扑优化100-104
• 5.1.1 载荷提取100-101
• 5.1.2 下控制臂结构拓扑优化101-103
• 5.1.3 扭转梁结构拓扑优化103-104
• 5.2 下控制臂和扭转梁参数化建模104-106
• 5.2.1 网格变形技术104-105
• 5.2.2 参数化模型的建立105-106
• 5.3 下控制臂和扭转梁轻量化多目标优化106-111
• 5.3.1 轻量化多目标优化框架107
• 5.3.2 优化问题的定义107-109
• 5.3.3 基于Kriging近似模型的多目标优化109-111
• 5.4 轻量化前后结构性能对比分析111-114
• 5.4.1 轻量化前后低频固有振动特性对比分析111-112
• 5.4.2 轻量化前后刚度性能对比分析112
• 5.4.3 轻量化前后结构强度对比分析112-113
• 5.4.4 轻量化前后疲劳寿命对比分析113-114
• 5.5 轻量化前后整车性能对比分析114-116
• 5.5.1 轻量化前后行驶平顺性对比分析114-115
• 5.5.3 轻量化前后操纵稳定性对比分析115-116
• 5.6 下控制臂和扭转梁轻量化评价方法研究116-118
• 5.6.1 下控制臂和扭转梁轻量化系数116-117
• 5.6.2 下控制臂和扭转梁的轻量化分析与评价117-118
• 5.7 本章小结118-120
• 第6章 后悬架扭转梁样件试制及性能验证120-132
• 6.1 后悬架扭转梁样件试制120-121
• 6.2 后悬架扭转梁结构性能试验验证121-130
• 6.2.1 低阶固有振动特性试验验证121-122
• 6.2.2 扭转刚度试验验证122-124
• 6.2.3 强度及疲劳性能试验验证124-130
• 6.3 本章小结130-132
• 第7章 总结与展望132-136
• 7.1 全文总结132-133
• 7.2 论文主要创新点133-134
• 7.3 研究展望134-136
• 参考文献136-148
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果148-150
• 致谢150

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