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摘要：在欧美地区，空气悬架系统在重型商用车上的使用率超过80%，在高速客车和豪华城市客车已经100%采用，而国内刚刚处于起步阶段，设计经验不足，同时空气悬架零件开发周期长、设计难度大、质量要求高，在悬架零件产品研发中，采用 CAE（计算机辅助工程）来指导零件设计，验证产品性能。随着有限元分析方法和结构优化分析在汽车工业的广泛应用，汽车仿真分析软件也得到了快速发展，hyperworks就是其中之一，该软件集成3D辅助设计、有限元分析、拓补优化、CAE仿真分析等等。本文针对国内商用车空气悬架铸件支架设计采用hyperworks软件进行拓补优化，最终实现零部件设计的轻量化，并满足铸造工艺、工程美学等要求，为国内商用车悬架设计提供新的参考。
关键词：空气悬架；悬架设计；拓补优化；hyperworks
随着人民生活水平的提高，对乘坐汽车舒适性的要求越来越高，特别是对汽车高速行驶时的平顺性和操纵稳定性的要求越来越高，随着高速公路的迅速发展，空气弹簧悬架在汽车上的应用必将得到推广。另外随着对汽车对路面破坏机理的认识的进一步加深和政府对高速公路养护的进一步重视，也必将进一步推动空气悬架在汽车上的应用，例如交通部标准《营运客车类型划分及等级评定》明确提出高一、高二、高三级客车的悬架必须采用空气悬架，强制性国家标准《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》三轴、四轴车辆采用空气悬架，车辆总重可增加1t，《机动车运行安全技术条件》最新发布送审报批稿中明确危险品运输车辆必须采用空气悬架，因此空气悬架产品研发就显得尤为重要。
空气悬架为刚度可变的非线性悬架。当簧载质量变化时，刚度随之变化，以保持空载和满载时车身高度相同，悬架固有频率基本不变。根据需要，可以选择不同的气囊工作高度，获得理想的固有频率，从而得到良好的行驶平顺性。空气悬架质量轻，弹簧刚度低,高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸内的气压，来控制制动时的制动力，更好地保证了行驶安全性。可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。在崎岖不平的道路上，为了通过障碍物，可以提高车身高度。减少整车的振动噪声,提高汽车零部件使用寿命。由于空气悬架刚度低，轮胎动载荷小，能够降低载重汽车对高速公路的破坏。空气悬架系统主要由空气弹簧、导向机构及支架、高度控制阀、减振器、横向稳定器和缓冲限位块等组成，本文重点选取导向机构支架进行设计分析。
Altair HyperWorks世界领先、功能强大的CAE应用软件包。HyperWorks包括以下模块：1、Altair HyperMesh：高性能、开放式有限单元前后处理器，让您在一个高度交互和可视化的环境下验证及分析多种设计情况；2、Altair MotionView：通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，它在一个直观的用户界面中结合了交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能。3、Altair HyperGraph：强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。4、Altair HyperForm：集成HyperMesh强大的功能和金属成型单步求解器，是一个使用逆向逼近方法的金属板材成型仿真有限元软件；5、Altair HyperOpt：用各种分析软件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具；6、Altair OptiStruct：世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计；7、Altair OptiStruct/FEA：基本线性静态、特征值分析模块。
其中HyperMesh和OptiStruct是本文重点应用的，HyperMesh 特点通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期。直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用。高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器。HyperMesh具有完善的可视化功能，使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表现结果。它也支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示。另外可以直接生成BMP、JPG、EPS、TIFF等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友好的用户界面使您迅速找到问题所在，同时有助于缩短评估结果的过程。Altair OptiStruct 是用于概念设计和改进设计、基于有限元的结构分析及优化软件。OptiStruct应用拓扑、外形和形状优化技术，具有强大的功能，帮您设计优化出基于各种约束条件下的具有最小重量和最大性能的结构。OptiStruct内部包含一个快速、准确的有限元求解器，它帮助工程师使用标准的单元库和类型广泛的边界条件来优化线性静力和固有频率问题。OptiStruct包含在Altair HyperMesh 完善的图形用户界面内，可以让用户轻松、快速地进行复杂问题的模型建立、提交求解及后处理。
Altair HyperWorks广泛应用在汽车产品研发中就是其中之一，本文以空气悬架铸件支架为例，应用hyperworks软件中HyperMesh和OptiStruct模块进行支架设计、拓补优化、CAE仿真分析 ，进而进行产品的试制、试验。
空气悬架零件 CAE 分析大致分为 3 种分析方法，1） 系统总成分析方法；2） 单一零件分析方法；3） 在系统总成下单一零件分析。
本文采用第 3 种方法进行分析。在 HyperWorks 完成了某车型悬架零件从有限元建模到零
件计算全过程，系统总成下单一零件分析的思路大致有 4 步：
1）收集系统的模型参数（包括整车相关参数、各零部件的硬点位置、手力工况分析等）；
2）在HyperMesh模块中建立零部件有限元模型；
3）在OptiStruct模块中进行拓补优化计算，得出设计初步概念和设计方向；
4）进行3D模型设计，并充分考虑工艺可行性；
5）进行CAE仿真分析，输出最终结论；
第一步，收集系统模型进行硬点校核、受力分析是悬架设计的重要一环，如果设计工况考虑不周，导致设计反复，影响产品开发周期，本次设计的空气悬架支架工作工况分为静载工况、制动工况、转弯工况、上下跳动至极限工况，受力分为垂直载荷、驱动力、制动力、侧倾力及附加力矩等，具体分析不做详述，针对设计中常见螺栓松脱问题进行详述：
空气悬架支架连接螺栓主要受垂直载荷、驱动力、制动力及横向侧倾力作用。为保证连接可靠，接合面的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，具体下方公式：
第三步，进行拓补优化计算，得出设计初步概念和设计方向，拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内,通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。自1988 年Bendsoe 与Kikuchi 提出基于均匀化方法的结构拓扑优化设计基本理论以来,近十几年间结构拓扑设计研究得到深入和广泛的研究,已成为国际工程结构与产品创新设计领域的热点。目前,拓扑设计理论在柔性受力结构MEMS 器件及其它柔性微操作机构的设计中得到了广泛的研究。
目前结构优化技术有四大领域：1）尺寸优化（sizing optimization），2） 形状优化（shape optimization），3）拓扑与布局优化（topology optimization），4）结构类型优化。主要的拓扑优化方法：1）均质化方法（homogenization method），均质化方法是连续体结构拓扑优化研究中应用较广的一种物理描述方法。Bendsoe 与Kikuchi于1988 年提出基于均质化方法的结构拓扑优化设计基本理论，均匀化方法研究范围主要涉及多工况平面问题、三维连续体问题、振动问题、热弹性问题、屈曲问题、三维壳体问题、薄壳结构问题和复合材料拓扑优化等方面的问题。2）相对密度法（artificial materials） ，相对密度法是一种常用的拓扑优化方法,基本思想是不引入微结构,而是引入一种假想的相对密度在0～1 之间可变的材料。它吸取了均匀化方法中的经验和成果,直接假定设计材料的宏观弹性常量与其密度的非线性关系。其中应用得比较多的模型是SIMP（solid isot ropic microst ructure with penalization） 法, 3 ） 进化结构优化方法（evolutionary structural optimization），进化结构优化法是由Xie 和Steven 提出的,其起源于应力设计技术,认为在设计域内,在结构上不起作用的材料,即那些低应力或低应变能量密度的材料是低效的,可以去除的。材料的去除可以通过改变作为应力或应变能量密度函数的弹性模量或直接删去那些低应力或低应变能量密度的材料空间。通过将无效或低效的材料一步步去掉,剩下的结构将逐渐趋于优化。
模型拓展优化后，选取大于180Mpa以上结构体进行显示，具体结果如下图所示（图3）：
结论：商用车空气悬架支架通过试制、试装、试验验证，通过了可靠性试验验证，并成功进行小批量试销，现已成功通过量产，售后表现良好。通过此次设计可以明显看出:空气悬架铸件支架在满足整车使用强度的要求下，支架重量下降了26%，为整车轻量化作出了重要一笔。
结束语
本文在Hperworks软件中采用Hypermesh建模、Optistruct模态分析及优化、Hyperview后处理，快速的达成了空气悬架铸件支架的轻量化和设计强度目标，并且成功得通过了整车可靠性试验，使得空气悬架车型顺利推向市场。在整个产品设计优化过程中，CAE分析较好的为产品优化设计提供了参考依据。
参考文献
[1]王钰栋等.Hypermesh&Hyperview 应用技巧与高级实例[M].机械工业出版社.
[2]曹树谦，张文德等.振动结构模态分析[M].天津大学出版社.
[3]欧贺国，方献军等.radioss理论基础与工程应用[M].机械工业出版社.
[4]洪清泉，赵康等. Optistruct & Hyperstudy理论基础与工程应用[M] .机械工业出版社.
作者简介
侯月旺，男，河北三河人，本科，东风柳州汽车有限公司助理工程师，从事商用车整车设计开发工作。
论文作者:侯月旺
论文发表刊物:《基层建设》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/4
标签：悬架论文; 空气论文; 拓扑论文; 支架论文; 方法论文; 工况论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第20期论文;