基于Optistruct的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计
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３８０
将上控制臂以ｓｔｐ格式导入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中。由 于上控制臂是板壳结构，利用板壳单元进行离散，壳单 元的厚度为８ ｍｍ。以四边形单元为主，避免采用过多的 三角形单元引起局部刚性过大嗍。为了使整个上控制臂 有限元模型规模不致过大，以保证计算的经济性，单元 尺寸控制在２ ｍｍ。根据上控制臂的受力情况，约束控制 臂一端ｌ、２、３、５方向的自由度以及另一端１、３方向的自 由度。模型规模为单元总数３ ３９５个、节点总数３ ５９０个。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｕｐｐｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ；ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ
在设计汽车后悬架上控制臂时，需要兼顾强度、刚 度、轻量化及成本要求。目前该项工作主要依赖于参照 某具体车型和试验模拟，容易造成截面厚度盈余过多， 从而使材料浪费和部件质量增加，不能达到轻量化要 求。因此，需要一种更好的方法来设计截面厚度，提高零 部件的可靠性和合理性【ｌ】。 ＨｖｐｅｒＷｏｒｋｓ软件是功能强大的ＣＡＥ应用软件包， 它集成了设计与分析所需的各种工具，其中包括Ｈｙ— ｐｅｒＭｅｓｈ、Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ等。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ具有强大的有限元网 格前处理功能和后处理功能。Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ是一个有限元结 构分析和优化软件，用于概念设计和精细设计，通过拓 扑学、形状和尺寸优化技术，结构的质量达到最小，而结 构的性能达到最优［２１。 在极限工况下，某汽车悬架上控制臂的最大应力远 小于材料的屈服强度，不能达到轻量化要求。本文基于 Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的优化算法翻，对控制臂的厚度和截面进行优 化设计，保证该上控制臂的结构强度和包络空间满足要 求的同时，将其厚度由８ ｍｍ减少到３ ｍｍ，该文提出的 尺寸优化的设计方法可为汽车其它零部件的轻量化设
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｃａｎ
ｔｏ
ｔｏ
３ ｍｍ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｒｌｎ
ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｚｅ
ｐｒｏｖｉｄｅ
ａபைடு நூலகம்
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｏｔｈｅｒ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ．
ｍｉｎ“Ｘ）Ｘ∈ＤｃＲ“
ｓ．ｔ．函（Ｘ）≤０
＾。（Ｘ）＝０
ｕ＝ｌ，２，……，ｍ
ｖ＝ｌ，２，……，Ｐ
式中：ｕ、秽为未知数的个数；ｍ－ｐ＝０称为无约束优化问 题，ｍ＃ｐ≠０称为约束优化问题；Ｆ（Ｘ）、ｇｕ（ｘ）和＾。（ｘ）都 是线性函数，称为线性优化问题；及Ｘ）、ｇｏ（ｘ）和＾。（ｘ）其 中有一个为非线性函数，称为非线性优化问题。 在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ中，目标函数、约束函数是从有限元分 析中获得的结构响应，设计变量是一个矢量，它的选择 依赖于设计类型。在尺寸优化中，设计变量为结构的单 元尺寸属性。尺寸优化是将变量变化过程逐行进行计
计提供参照。
作者简介：廖美颖（１９８５一），男，工程师；主要从事汽车悬架结构件设计方面的工作。
万方数据
客车技术与研究
２０１３年４月
算，对变量的每个可能值都进行迭代计算，最终确定最 优解。 １．２尺寸优化 尺寸优化是结构优化设计中最基本的优化方法，已 广泛应用于各种结构的优化设计过程中，是在设计模型 有了初步的几何形状、材料类型、拓扑结构后进行的细 节设计。它通过改变结构单元的属性，如壳单元的厚度、 横截面积等来达到一定的设计要求［５１。 由于最优解的求解过程并不改变结构的有限元单 元形状和拓扑关系，所以尺寸优化能够在结构外形特征 已经确定、保证结构强度和包络空间满足要求的同时， 对结构件的厚度进行最优选择。 在尺寸优化中，Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ首先通过线性近似的方法 把非线性目标函数或约束转化为线性表达式，然后使用
鼢｜｜
参考文献： 【１】胡平，郭润清，候文彬，等．概念车身粱截面厚度优化设计［Ｊ］． 汽车技术，２０１１，（１０）１—５． ［２】张胜兰，郑冬黎，郝琪，等．基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的结构优化设 计技术【Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７． ［３】兰凤崇，陈吉清．承载式车身覆盖件板厚优化及灵敏度分析 【Ｊ】．航空制造技术，２００５，（３）：６ｌ一６５． ［４】陈卫东，蔡荫林，于诗源．工程优化方法【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨 工程大学出版社，２００６：１６—１７． ［５】Ｓ．Ｄｏｎｄｅｒｓ，Ｙ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｒ．Ｈａｄｊｉｔ．Ａ
图ｌ上控制臂的结构
２）将设计变量与壳单元的厚度属性关联。 ３）定义响应。在响应（Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ）子面板中定义体 积（Ｖｏｌｕｍｅ）和应力（Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ）两个响应。 ４）定义目标函数。优化的目标是在指定某一应力 约束条件下达到使用的材料最少，而材料与体积相对 应，因此，可以定义体积最小化为目标函数。选择目标 （Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）面板，将体积响应（Ｖｏｌｕｍｅ）定义成目标函数。 ５）定义约束。由于上控制臂材料的屈服极限为
ｃｒｏｓｓ
ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ
ａｒｅ
ｄｅ－
ｍｅｅｔ
ｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｎｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｔｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ８ ｍｍ
１尺寸优化设计的基本思想
１．１优化设计的数学模型 优化设计有三要素，即设计变量ｘ，目标函数以Ｘ）， 约束函数ｇｏ（ｘ）和＾。（ｘ）。设计变量是优化设计要优选
的量，表示为Ｘ＝ｋ。，％…，ｘＪ；目标函数是优化设计好 坏的一个衡量指标，记为Ｆ（Ｘ）＝Ｆ（％孙…＾）；约束函
数是设计变量选择的限制条件，其形式有不等式约束骺 （ｘ）和等式约束＾。（ｘ）。一般优化设计问题的数学模型 可以表达如下１４Ｊ：
２．２．２截面优化 由图２和图３可以看出，上 控制臂最大应力区域出现在应力 云图上方圆圈区域，可以考虑通 过优化截面形状来增加上控制臂 强度。例如，采用翻边的形式来改 变截面形状，翻边的角度为９０。。 考虑到工艺性，将翻边的长度设 置为４个板厚，优化前、后截面形状如图６所示。 按照２．２．１的设置，对改变截面形状的上控制臂进 一步进行厚度优化，上控制臂的厚度由４．３ ｍｍ降低到
为校验该控制臂是否满足强度要求，通常仅需计算 极限垂直冲击和极限转弯两种工况下的应力大小。该控 制臂为典型的二力杆，两种工况下的载荷：极限垂直冲 击一６ ２３９Ｎ，极限转弯６６４３
Ｎ。
在定义优化过程之前执行线性应力分析，可以帮助 识别结构的响应，保证为优化所定义的约束是合理的［９１。 对模型的应力进行初步计算，极限垂直冲击工况应力云 图如图２所示，其最大应力为１９２ ＭＰａ；极限转弯工况应 力云图如图３昕示，其最大应力为２０５
ｇｒａｔｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ，Ｓｉｚｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈａｐｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．
Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ．２０００：４９４６： ２－３．
［９】罗鑫源，杨世文，杨军，等．基于ＡＤＡＭＳ的双横臂悬架的仿 真及优化［Ｊ］公路与汽运，２０１１，（５） 【１０】Ｆｌｅｕｒｙ
ＭＰａ
可行方向法进行求解。可行方向法的基本思路【咖：给定 一个可行点ｘ，使之满足迭代公式：Ｘ“Ｉ＿ｘ‘＋如“１
式中：∥为步长；ｓ“１为第ｋ＋１次迭代的搜索方向。如果 Ｘ“１仍不是最优解，则重复上述步骤，直到得到最优的点 列阵Ｘ“１。
图３极限转弯工况上控制臂应力云图
２上控制臂的强度分析及尺寸优化
２．１
强度分析 采用ＣＡＴＩＡ软件对该控制臂进行三维建模，其结
可以看出，上控制臂最大应力远小于材料的屈服极 限３８０
ＭＰａ，因此，有必要对上控制臂进行尺寸优化㈣。
构如图ｌ所示。该控制臂采用ＱＳＴＥ３８０材料，其厚度 为８ ｍｍ的冲压件，一端与轴节连接，另一端与车架连 接。
‘ｊ轴ｎｆ¨ｊ生
２．２尺寸优化 ２．２．１厚度优化 为了对上控制臂进行厚度优化，需要在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ 中为厚度优化设定设计变量、目标函数和约束函数等参 数，具体设定步骤如下： １）定义设计变量ｘ。将上控制臂的壳单元厚度定义 为设计变量，充分考虑零件冲压成型和模具加工的可行 性。
３．０
４３９—４５５．
［６］Ｃｈｉ Ｒｕｉｆｅｎｇ，Ｈｏｕ Ｗｅｎｈｉｎ，Ｃａｉ Ｓｈｉｍｉｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｄｅ－
ｓｉｇｎ ａｎｄ ＣＡＥ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｅｐｔ Ａｕｔｏ—ｂｏｄｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ
｜｜ 日
园
８
９
ｏｆＪｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．２００７，３６（Ｓｕｐｐｌ．１）：１９１－１９５． ［７］７ Ａｌｅｋｓａｎｄａｒ Ｐｒｏｋｉｃ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｏ—
设置完成后，对上控制臂进行厚度优化，得出上控 制臂厚度云图，其中极限垂直冲击工况厚度优化结果如 图４所示，最小厚度为４．０７ ｍｍ；急速转弯工况厚度优化 结果如图５所示，最小厚度为４．３２
ｍｉｌｌ。
可以看出，经过厚度优化，上控制臂的厚度可以由
８
ｍｍ降低到４－３ ｍｍ．从而实现了轻量化。 雹。’…４ ０７ｅ。“
Ｃｏｎｃｅｐｔ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｊｏｉｎｔ
霹＞４
３Ｚｅ萋＇－００—
目
１
Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２００９，（４５）：
客车技术与研究 第２期
ＢＵＳ＆ＣＯＡＣＨ ＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
基于Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计
廖美颖，谷玉川，王更胜
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州５１０６４０）
摘要：采用Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的优化算法，对控制臂的厚度和截面进行二次优化设计，在保证其结构强度和包络 空间满足要求的同时，将其厚度由８ ｎｌｍ减少到３ ｍｍ，实现了该控制臂的轻量化设计要求。本文提出的尺 寸优化设计方法可为汽车其他零部件的轻量化设计提供参考。 关键词：悬架；上控制臂；尺寸优化；Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ 中图分类号：Ｕ４６３．３３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００６—３３３１（２０１３）０２—００２１—０３
ＭＰａ，将上控制臂上的Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应力的最大值设
万方数据
第２期
廖美颖，谷玉川，王更胜：基于Ｏｐｔｉｓｔｒｃｕｃｔ的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计
定为３８０ＭＰａ。
３结束语
本文将某汽车后悬架上控制臂的设计与尺寸优化 技术进行融合，保证该上控制臂的结构强度和包络空问 满足要求的同时，对该控制臂的厚度和截面进行尺寸二 次优化设计，将其厚度由８ ｍｍ减少到３ ｍｍ，实现了该 控制臂的轻量化设计要求。该文尺寸优化的设计方法可 为汽车其他零部件的轻量化设计提供参考。
ｏｎ
Ｓｉｚｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｕｐｐｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｍ Ｂａｓｅｄ
Ｌｉａｏ Ｍｅｉｙｉｎｇ，Ｇｕ Ｙｕｃｈｕａｎ，Ｗａｎｇ Ｇｅｎｇｓｈｅｎｇ
Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ
（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ
ｍｅｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ Ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ Ｏｐｅｎ－ｃｌｏｓｅｄ
图芋上控制臂蔗化
前、后的截面形状
Ｓｅｃｔｉｏｎ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｆｗａｒｅ，２０００，７４：７０５－７１５．
［８】Ｍ．Ｚｈｏｕ，Ｎ．Ｐａｇａｌｄｉｐｔｉ，Ｈ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ ａｎｄ ＹＫ．Ｓｈｙｙ．Ａｎ Ｉｎｔｅ－
将上控制臂以ｓｔｐ格式导入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中。由 于上控制臂是板壳结构，利用板壳单元进行离散，壳单 元的厚度为８ ｍｍ。以四边形单元为主，避免采用过多的 三角形单元引起局部刚性过大嗍。为了使整个上控制臂 有限元模型规模不致过大，以保证计算的经济性，单元 尺寸控制在２ ｍｍ。根据上控制臂的受力情况，约束控制 臂一端ｌ、２、３、５方向的自由度以及另一端１、３方向的自 由度。模型规模为单元总数３ ３９５个、节点总数３ ５９０个。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｕｐｐｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ；ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ
在设计汽车后悬架上控制臂时，需要兼顾强度、刚 度、轻量化及成本要求。目前该项工作主要依赖于参照 某具体车型和试验模拟，容易造成截面厚度盈余过多， 从而使材料浪费和部件质量增加，不能达到轻量化要 求。因此，需要一种更好的方法来设计截面厚度，提高零 部件的可靠性和合理性【ｌ】。 ＨｖｐｅｒＷｏｒｋｓ软件是功能强大的ＣＡＥ应用软件包， 它集成了设计与分析所需的各种工具，其中包括Ｈｙ— ｐｅｒＭｅｓｈ、Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ等。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ具有强大的有限元网 格前处理功能和后处理功能。Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ是一个有限元结 构分析和优化软件，用于概念设计和精细设计，通过拓 扑学、形状和尺寸优化技术，结构的质量达到最小，而结 构的性能达到最优［２１。 在极限工况下，某汽车悬架上控制臂的最大应力远 小于材料的屈服强度，不能达到轻量化要求。本文基于 Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的优化算法翻，对控制臂的厚度和截面进行优 化设计，保证该上控制臂的结构强度和包络空间满足要 求的同时，将其厚度由８ ｍｍ减少到３ ｍｍ，该文提出的 尺寸优化的设计方法可为汽车其它零部件的轻量化设
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｃａｎ
ｔｏ
ｔｏ
３ ｍｍ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｒｌｎ
ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｚｅ
ｐｒｏｖｉｄｅ
ａபைடு நூலகம்
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｏｔｈｅｒ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ．
ｍｉｎ“Ｘ）Ｘ∈ＤｃＲ“
ｓ．ｔ．函（Ｘ）≤０
＾。（Ｘ）＝０
ｕ＝ｌ，２，……，ｍ
ｖ＝ｌ，２，……，Ｐ
式中：ｕ、秽为未知数的个数；ｍ－ｐ＝０称为无约束优化问 题，ｍ＃ｐ≠０称为约束优化问题；Ｆ（Ｘ）、ｇｕ（ｘ）和＾。（ｘ）都 是线性函数，称为线性优化问题；及Ｘ）、ｇｏ（ｘ）和＾。（ｘ）其 中有一个为非线性函数，称为非线性优化问题。 在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ中，目标函数、约束函数是从有限元分 析中获得的结构响应，设计变量是一个矢量，它的选择 依赖于设计类型。在尺寸优化中，设计变量为结构的单 元尺寸属性。尺寸优化是将变量变化过程逐行进行计
计提供参照。
作者简介：廖美颖（１９８５一），男，工程师；主要从事汽车悬架结构件设计方面的工作。
万方数据
客车技术与研究
２０１３年４月
算，对变量的每个可能值都进行迭代计算，最终确定最 优解。 １．２尺寸优化 尺寸优化是结构优化设计中最基本的优化方法，已 广泛应用于各种结构的优化设计过程中，是在设计模型 有了初步的几何形状、材料类型、拓扑结构后进行的细 节设计。它通过改变结构单元的属性，如壳单元的厚度、 横截面积等来达到一定的设计要求［５１。 由于最优解的求解过程并不改变结构的有限元单 元形状和拓扑关系，所以尺寸优化能够在结构外形特征 已经确定、保证结构强度和包络空间满足要求的同时， 对结构件的厚度进行最优选择。 在尺寸优化中，Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ首先通过线性近似的方法 把非线性目标函数或约束转化为线性表达式，然后使用
鼢｜｜
参考文献： 【１】胡平，郭润清，候文彬，等．概念车身粱截面厚度优化设计［Ｊ］． 汽车技术，２０１１，（１０）１—５． ［２】张胜兰，郑冬黎，郝琪，等．基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的结构优化设 计技术【Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７． ［３】兰凤崇，陈吉清．承载式车身覆盖件板厚优化及灵敏度分析 【Ｊ】．航空制造技术，２００５，（３）：６ｌ一６５． ［４】陈卫东，蔡荫林，于诗源．工程优化方法【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨 工程大学出版社，２００６：１６—１７． ［５】Ｓ．Ｄｏｎｄｅｒｓ，Ｙ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｒ．Ｈａｄｊｉｔ．Ａ
图ｌ上控制臂的结构
２）将设计变量与壳单元的厚度属性关联。 ３）定义响应。在响应（Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ）子面板中定义体 积（Ｖｏｌｕｍｅ）和应力（Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ）两个响应。 ４）定义目标函数。优化的目标是在指定某一应力 约束条件下达到使用的材料最少，而材料与体积相对 应，因此，可以定义体积最小化为目标函数。选择目标 （Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）面板，将体积响应（Ｖｏｌｕｍｅ）定义成目标函数。 ５）定义约束。由于上控制臂材料的屈服极限为
ｃｒｏｓｓ
ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ
ａｒｅ
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ｍｅｅｔ
ｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｎｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｔｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ８ ｍｍ
１尺寸优化设计的基本思想
１．１优化设计的数学模型 优化设计有三要素，即设计变量ｘ，目标函数以Ｘ）， 约束函数ｇｏ（ｘ）和＾。（ｘ）。设计变量是优化设计要优选
的量，表示为Ｘ＝ｋ。，％…，ｘＪ；目标函数是优化设计好 坏的一个衡量指标，记为Ｆ（Ｘ）＝Ｆ（％孙…＾）；约束函
数是设计变量选择的限制条件，其形式有不等式约束骺 （ｘ）和等式约束＾。（ｘ）。一般优化设计问题的数学模型 可以表达如下１４Ｊ：
２．２．２截面优化 由图２和图３可以看出，上 控制臂最大应力区域出现在应力 云图上方圆圈区域，可以考虑通 过优化截面形状来增加上控制臂 强度。例如，采用翻边的形式来改 变截面形状，翻边的角度为９０。。 考虑到工艺性，将翻边的长度设 置为４个板厚，优化前、后截面形状如图６所示。 按照２．２．１的设置，对改变截面形状的上控制臂进 一步进行厚度优化，上控制臂的厚度由４．３ ｍｍ降低到
为校验该控制臂是否满足强度要求，通常仅需计算 极限垂直冲击和极限转弯两种工况下的应力大小。该控 制臂为典型的二力杆，两种工况下的载荷：极限垂直冲 击一６ ２３９Ｎ，极限转弯６６４３
Ｎ。
在定义优化过程之前执行线性应力分析，可以帮助 识别结构的响应，保证为优化所定义的约束是合理的［９１。 对模型的应力进行初步计算，极限垂直冲击工况应力云 图如图２所示，其最大应力为１９２ ＭＰａ；极限转弯工况应 力云图如图３昕示，其最大应力为２０５
ｇｒａｔｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ，Ｓｉｚｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈａｐｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．
Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ．２０００：４９４６： ２－３．
［９】罗鑫源，杨世文，杨军，等．基于ＡＤＡＭＳ的双横臂悬架的仿 真及优化［Ｊ］公路与汽运，２０１１，（５） 【１０】Ｆｌｅｕｒｙ
ＭＰａ
可行方向法进行求解。可行方向法的基本思路【咖：给定 一个可行点ｘ，使之满足迭代公式：Ｘ“Ｉ＿ｘ‘＋如“１
式中：∥为步长；ｓ“１为第ｋ＋１次迭代的搜索方向。如果 Ｘ“１仍不是最优解，则重复上述步骤，直到得到最优的点 列阵Ｘ“１。
图３极限转弯工况上控制臂应力云图
２上控制臂的强度分析及尺寸优化
２．１
强度分析 采用ＣＡＴＩＡ软件对该控制臂进行三维建模，其结
可以看出，上控制臂最大应力远小于材料的屈服极 限３８０
ＭＰａ，因此，有必要对上控制臂进行尺寸优化㈣。
构如图ｌ所示。该控制臂采用ＱＳＴＥ３８０材料，其厚度 为８ ｍｍ的冲压件，一端与轴节连接，另一端与车架连 接。
‘ｊ轴ｎｆ¨ｊ生
２．２尺寸优化 ２．２．１厚度优化 为了对上控制臂进行厚度优化，需要在Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ 中为厚度优化设定设计变量、目标函数和约束函数等参 数，具体设定步骤如下： １）定义设计变量ｘ。将上控制臂的壳单元厚度定义 为设计变量，充分考虑零件冲压成型和模具加工的可行 性。
３．０
４３９—４５５．
［６］Ｃｈｉ Ｒｕｉｆｅｎｇ，Ｈｏｕ Ｗｅｎｈｉｎ，Ｃａｉ Ｓｈｉｍｉｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｄｅ－
ｓｉｇｎ ａｎｄ ＣＡＥ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｅｐｔ Ａｕｔｏ—ｂｏｄｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ
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ｏｆＪｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．２００７，３６（Ｓｕｐｐｌ．１）：１９１－１９５． ［７］７ Ａｌｅｋｓａｎｄａｒ Ｐｒｏｋｉｃ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｏ—
设置完成后，对上控制臂进行厚度优化，得出上控 制臂厚度云图，其中极限垂直冲击工况厚度优化结果如 图４所示，最小厚度为４．０７ ｍｍ；急速转弯工况厚度优化 结果如图５所示，最小厚度为４．３２
ｍｉｌｌ。
可以看出，经过厚度优化，上控制臂的厚度可以由
８
ｍｍ降低到４－３ ｍｍ．从而实现了轻量化。 雹。’…４ ０７ｅ。“
Ｃｏｎｃｅｐｔ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｊｏｉｎｔ
霹＞４
３Ｚｅ萋＇－００—
目
１
Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２００９，（４５）：
客车技术与研究 第２期
ＢＵＳ＆ＣＯＡＣＨ ＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
基于Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计
廖美颖，谷玉川，王更胜
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州５１０６４０）
摘要：采用Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的优化算法，对控制臂的厚度和截面进行二次优化设计，在保证其结构强度和包络 空间满足要求的同时，将其厚度由８ ｎｌｍ减少到３ ｍｍ，实现了该控制臂的轻量化设计要求。本文提出的尺 寸优化设计方法可为汽车其他零部件的轻量化设计提供参考。 关键词：悬架；上控制臂；尺寸优化；Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ 中图分类号：Ｕ４６３．３３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００６—３３３１（２０１３）０２—００２１—０３
ＭＰａ，将上控制臂上的Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应力的最大值设
万方数据
第２期
廖美颖，谷玉川，王更胜：基于Ｏｐｔｉｓｔｒｃｕｃｔ的某汽车悬架上控制臂的尺寸优化设计
定为３８０ＭＰａ。
３结束语
本文将某汽车后悬架上控制臂的设计与尺寸优化 技术进行融合，保证该上控制臂的结构强度和包络空问 满足要求的同时，对该控制臂的厚度和截面进行尺寸二 次优化设计，将其厚度由８ ｍｍ减少到３ ｍｍ，实现了该 控制臂的轻量化设计要求。该文尺寸优化的设计方法可 为汽车其他零部件的轻量化设计提供参考。
ｏｎ
Ｓｉｚｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｕｐｐｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｍ Ｂａｓｅｄ
Ｌｉａｏ Ｍｅｉｙｉｎｇ，Ｇｕ Ｙｕｃｈｕａｎ，Ｗａｎｇ Ｇｅｎｇｓｈｅｎｇ
Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ
（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ
ｍｅｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ Ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ Ｏｐｅｎ－ｃｌｏｓｅｄ
图芋上控制臂蔗化
前、后的截面形状
Ｓｅｃｔｉｏｎ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｆｗａｒｅ，２０００，７４：７０５－７１５．
［８】Ｍ．Ｚｈｏｕ，Ｎ．Ｐａｇａｌｄｉｐｔｉ，Ｈ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ ａｎｄ ＹＫ．Ｓｈｙｙ．Ａｎ Ｉｎｔｅ－