1 前言
CAE（计算机辅助工程）技术的发展大大增强了设计者通过仿真预测产品性能的能力。多样化的CAE技术不仅可以用预测产品的性能也可以用产品开发流程中。优化技术就是产品开发过程中CAE技术一个重要的应用。现代设计方法正从传统的依靠设计者的经验或者样件试验验证方法向满足自动化和性能优化要求的多学科集成方法上转变。多学科集成方法主要基于数学优化技术，可以减少物理样机试验，而且达到产品要求性能的效率非常高。
现代汽车上扭梁悬架开发已经朝着轻量化和高性能方向发展。轻量化不仅可以降低整车的质量提高整车动力性，还可以降低后悬架簧下质量提高悬架的响应速度，尤其后悬架在操纵稳定性和舒适性方面对整车的影响非常大。多学科优化方法本质上是通过设计和优化扭梁悬架使其满足包括动力学性能、结构强度等性能要求，见图1。
图1 扭梁悬架多学科联合优化
在汽车行业里为了缩短产品开发周期提高产品的竞争力，通过一个产品模型同时优化这个产品的各方面性能变得越来越重要，而且发展速度也很快。扭梁悬架的设计过程中就要求同时满足多方面的性能，像动力学特性、结构强度特性等。但是现有的多学科共同设计方法耗时很长，因为不仅需要做许多重复工作还要手动更新每一个过程分析数据，效率非常低。由于数据量大手动传递结果数据还容易出现错误。通过统计表明自动化集成优化要比手动每一个方面单独优化节省80%的时间。多学科集成优化技术的本质是模型数据在集成系统中每一个CAE分析软件中被确认、传递和求解，最后经过判断得到满足所有性能要求的优化模型。本文以ADAMS分析结果为最终目标对某物理样机扭梁悬架的主要性能部件一扭梁的厚度和外形进行设计优化。
2 自动化设计分析
本文通过将手动设置设计分析过程自动化执行使每个分析循环的总消耗时间缩短为22分钟。因为每一个软件部分都采用执行批处理命令方式分析，检查每部分分析的中间结果和参数也非常方便。
2.1 设计分析组成
2.1.1 CATIA三维设计
本文中对纵臂、弹簧座、减振器座、衬套座、轮毂连接板等对性能影响不大零件直接借用，对扭梁的厚度和外形在CATIA中进行重新设计。将扭梁分成中间段、过渡段和端部三部分，对中间段和过渡段分别进行参数化，通过修改参数以便生成不同的结构。
图2 CATIA三维设计
2.1.2 标准模态分析
扭梁悬架作为柔性体应用在结构强度分析与K&C分析中，柔性体的生成需要使用Nastran软件对扭梁有限元模型进行模态分析。通过平衡计算速度与精度来决定模态分析输出的模态数量，见图3。
图3 标准模态分析
2.1.3 结构强度分析
本文结构强度分析工况采用侧倾与侧向力复合工况。在ADAMS/Car中用扭梁悬架柔性体模型进行复合工况的分析，确定最易破坏的位置和该位置节点最大应力，见图4。
图4 负荷工况结构强度分析
2.1.4 K&C特性分析
扭梁悬架K&C特性使用ADAMS/Car进行分析。主要评价侧倾、侧向力和纵向力工况中的几个关键参数，见图5。
图5 ADAMS K&C特性分析
2.2 设计分析自动化流程
本文使用Isight优化分析软件驱动上述设计分析软件。流程中：①先由Catia生成扭梁几何；②Hypermesh对扭梁几何划分网格并交由Nas tran进行模态分析，生成包含应力信息和刚度信息的模态中性文件；③ADAMS/Car利用上一步模态中性文件建模，进行侧倾一侧向力复合工况结构强度分析；④ADAMS/Car中分析扭梁悬架的典型K&C工况。整个设计分析流程如图6、图7所示。
图6 扭梁悬架自动化设计优化流程
图7 Isight集成优化流程
3 优化
本文以扭梁悬架的关键部件一扭梁的厚度和截面参数为变量，以扭梁悬架的强度特性、K&C特性为设计目标进行优化。
3.1 扭梁悬架优化目标
确定合适的影响扭梁悬架性能的设计目标在整个设计优化流程中非常重要。设计目标确定不够最后扭梁悬架的性能满足不了要求，设计目标过多又会增加设计优化流程的效率。因此本文选择扭梁悬架的8个重要的设计目标作为优化目标。
(1)最大应力（最小）
(2)侧倾中心高（≤上限值）
(3)底盘侧倾刚度（下限值≤目标值≤上限值）
(4)侧倾前束梯度（左侧车轮：最大）
(5)侧倾外倾梯度（左侧车轮：最大）
(6)侧向力前束梯度（左侧车轮：最大）
(7)侧向力外倾梯度（左侧车轮：最大）
(8)质量（最小）
3.2 扭梁悬架优化参数
本文选择扭梁悬架中扭梁厚度和中间段、过渡段的形状参数作为优化参数进行优化。中间段的形状参数包括扭梁两层钢板的最小间隙、扭梁钢板的各部分尺寸，过渡段的形状参数包括过渡段中间截面尺寸、过渡段引导线形状，见图8所示。
图8 扭梁优化参数
3.3 优化结果
本文设计优化后扭梁悬架应力满足结构强度要求，K&C特性满足动力学要求。
图9 优化数据分析
图10 因素影响分析
图11 优化后最大应力从692.3Mp下降到545.6Mp
图12 K&C特性优化后结果
4 结论
本文对某物理样机扭梁后悬架进行了设计优化，得到的结论如下：
1.通过自动化多学科集成设计优化，大大降低了扭梁悬架的设计周期。
2.本文优化流程扭使杆式悬架中扭梁参数的变化对悬架性能影响很容易明确。
3.扭梁设计参数优化后悬架整体性能有明显提高。
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本文标题：基于ADAMS的扭梁悬架多学科优化设计
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