一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法与流程

1.本发明属于乘用车技术领域，具体涉及一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法。


背景技术：

2.为了提高乘用车驾驶舒适性，减小振动传递，降低噪声，现有乘用车控制臂与副车架间均采用橡胶衬套连接。随之橡胶衬套使用增多，对橡胶衬套可靠性能提出了较高要求，其设计难点在于橡胶衬套主簧承受大载荷时橡胶材料出现堆积折叠现象，堆积折叠位置反复摩擦拉扯而产生裂纹，裂纹扩展进而刚度损失而失效。
3.目前，橡胶衬套开发流程包括设计、仿真校核、制造及试验验证4个环节，研发周期至少18个月。其中，设计与仿真校核是一个往复循环过程，仿真校核不满足强度性能要求则需要进行结构改进，直至强度满足要求，这个过程大概需要8-10个月，设计周期较长，严重影响整车开发周期。
4.橡胶衬套在设计过程中，为了达成刚度、强度、舒适性及大载荷限位要求,会以一定形状截面沿橡胶主簧轴向对称去除部分橡胶材料。此形状为设计难点，既要满足各项性能要求，又要有一定的限位区间以满足车辆正常行驶的舒适性及大载荷的限位特性。基于此，急需研发一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，以有效解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的就在于提供一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，以解决正向设计橡胶主簧结构，缩短橡胶衬套开发周期的问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，包括以下步骤：
8.a、橡胶衬套几何模型导入；
9.b、橡胶衬套几何模型简化；
10.c、仿真建模
11.c1、网格画分；
12.c2、结构材料及截面属性设定；
13.c3、约束、载荷及输出设定；
14.d、模型调试及计算；
15.e、导入tosca设定优化参数，进行结构优化，查看优化结构及优化结果，刚度及应变结果不满足要求则调整橡胶主簧截面变化率重新进行优化，直到满足要求为止，橡胶主簧结构正向设计完成。
16.进一步地，步骤a，使用hypermesh导入橡胶衬套初始设计几何模型，模型包括内管、外管以及橡胶主簧。
17.进一步地，步骤b，将橡胶衬套进行简化，垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为
3个封闭面，分别是内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面。
18.更进一步地，内管剖面包含内管内线及外线，外管剖面包含外管内线及外线，橡胶主簧剖面包含主簧内线、外线及环切线，环切线一般为4条，沿主承载方向有2条对称环切线，次承载方向有2条对称环切线。
19.进一步地，步骤c1，具体为：将环切线以一定数值进行washer操作，生成4个两两对称的环行面，主承载方向两个环行面要保证限位要求，将环行面分割出限位接触区的非设计区域及设计区域；取1/4模型进行网格画分，画分为平行四边形，平行四边形位于环切面两条边间的边主承载方向夹角在30
°
～55
°
之间；其它面同样画分四边形网格，交界线均共节点处理；1/4网格画分完成后进行两次对称操作，得到整体网格模型。
20.进一步地：步骤c2，内管及外管材料按照实际材料赋予，橡胶主簧结构为橡胶材料，采用mooney_rivlin本构模型，3个截面属性均赋为二维平面应变单元属性。
21.进一步地，步骤c3，外管节点全约束，内管加载，输出全部节点位移及单元应变。
22.进一步地，步骤d，具体为：用abaqus2d隐式静力分析对仿真模型进行计算，并对收敛性进行调试，获得初始仿真计算结果。
23.进一步地，步骤e，具体为：将调试完成的模型导入tosca软件进行结构优化，优化类型为形状优化，变量为优化节点集的平面运动量，目标为最大应变最小化，设定迭代次数，运行tosca进行结构优化。
24.更进一步地，约束有3项，一为主簧橡胶截面面积变化率＝优化节点集平面运动后截面面积/原始截面面积，取值在90％～110％之间；二为主承载及次承载方向刚度约束，三为优化节点集相对于各自对称轴的对称约束。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明通过简化橡胶衬套结构，并对简化模型进行结构优化，正向设计橡胶主簧结构；解决了橡胶主簧设计难点，同时缩短橡胶衬套开发周期35％左右。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1橡胶衬套正向设计流程图；
29.图2橡胶衬套结构图；
30.图3橡胶衬套简化剖面示意图；
31.图4橡胶主簧环切面平面示意图；
32.图5网格画分要求示意图。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明作进一步说明：
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便
于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.本发明需要使用的前处理软件为hypermesh，求解软件为aaqus，优化软件为tosca，正向设计流程如图1所示，具体技术方案步骤及流程图如下。
37.1、几何模型导入
38.使用hypermesh软件导入橡胶衬套初始设计几何模型，模型包括内管、外管、橡胶主簧3个部件。
39.2、几何模型简化
40.橡胶衬套结构特点包含2点，一是横截面的形状不变，二是横截面为中心对称结构。依据此特点，将橡胶衬套进行简化。垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为3个封闭面，分别是内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面。内管剖面包含内管内线及外线，外管剖面包含外管内线及外线，橡胶主簧剖面包含主簧内线、外线及环切线，环切线一般为4条，沿主承载方向有2条对称环切线，次承载方向有2条对称环切线。三维模型简化为二维模型，模型大大简化。
41.3、仿真建模
42.3.1、网格画分
43.橡胶衬套失效位置主要发生环切线处，是网格画分重点，且橡胶材料为超弹不可压缩材料，施加外载后极易变形而产生网格扭曲，收敛性较差，为了提高收敛性，环切线位置需进行几何处理。将环切线以一定数值进行washer操作，生成4个两两对称的环行面，主承载方向两个环行面要保证限位要求，将环行面分割出限位接触区的非设计区域及设计区域。取1/4模型进行网格画分，画分为平行四边形，平行四边形位于环切面两条边间的边主承载方向夹角在30
°
～55
°
之间，以满收敛性要求。其它面同样画分四边形网格，交界线均共节点处理。1/4网格画分完成后进行两次对称操作，得到整体网格模型。
44.3.2、结构材料及截面属性设定
45.内管及外管材料按照实际材料赋予，橡胶主簧结构为橡胶材料，采用mooney_rivlin本构模型。3个截面属性均赋为二维平面应变单元属性。
46.3.3、约束、载荷及输出设定
47.外管节点全约束，内管加载。为后续优化操作方便，建立优化节点集，输出全部节点位移及单元应变。
48.4、模型调试及计算
49.用abaqus2d隐式静力分析对仿真模型进行计算，并对收敛性进行调试，获得初始仿真计算结果。
50.5、结构优化
51.将调试完成的模型导入tosca软件进行结构优化，优化类型为形状优化，变量为优化节点集的平面运动量。约束有3项，一为主簧橡胶截面面积变化率＝优化节点集平面运动后截面面积/原始截面面积，取值在90％～110％之间；二为主承载及次承载方向刚度约束，三为优化节点集相对于各自对称轴的对称约束。目标为最大应变最小化。设定迭代次数，运
行tosca进行结构优化，查看优化结构及优化结果，刚度及应变结果不满足要求则调整橡胶主簧截面变化率重新进行优化，直到满足要求为止，橡胶主簧结构正向设计完成。
52.实施例1
53.一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，包括以下步骤：
54.1、几何模型导入
55.使用hypermesh软件导入橡胶衬套初始设计几何模型，模型包括内管、外管及橡胶主簧，如图2所示。
56.2、几何模型简化
57.依据橡胶衬套横截面不变且中心对称的结构特点，将橡胶衬套进行简化，垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为3个封闭面，分别是内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面。内管剖面包含内管内线及外线，外管剖面包含外管内线及外线，橡胶主簧剖面包含主簧内线、外线及环切线。三维模型简化为二维模型(图3)。
58.3、仿真建模
59.3.1、网格画分
60.将环切线以2mm进行washer操作，生成4个两两对称的环行面，将主承载方向环行面分割出非设计区s0及设计区s1，次承载方向两个环切面s2，如图4所示。取1/4模型进行网格画分，s1及s2画分为平行四边形，平行四边形位于环切面两条边间的边主承载方向夹角在30
°
～55
°
之间，以满足收敛性要求，如图5所示，s0划分为正四边形。其它面同样画分四边形网格，交界线共节点处理。1/4网格画分完成后进行两次对称操作，得到整体网格模型。
61.3.2、结构材料及截面属性设定
62.内管及外管材料按照实际材料赋予，橡胶主簧结构为橡胶材料，采用mooney_rivlin本构模型，c
10
＝0.46,c
01
＝0.008。三个截面属性均赋为二维平面应变单元属性cpe4h。
63.3.3、约束、载荷及输出设定
64.外管节点全约束，内管加载，分2个load case进行计算，主承载方向f＝3405n，次承载方向f＝1050n。为后续优化操作方便，面s1内节点设为no1，面s2内节点设为no2，no1及no2所有节点为优化节点集，输出全部节点位移及单元应变。
65.4、模型调试及初算
66.用abaqus2d隐式静力分析对仿真模型进行计算，并对收敛性进行调试，获得初始仿真计算结果。
67.5、结构优化
68.将调试完成的模型导入tosca软件进行结构优化，优化类型为形状优化，变量为优化节点集的平面运动量。约束有3项，一为主簧橡胶截面面积变化率＝优化节点集平面运动后截面面积/原始截面面积，取值在90％～110％之间，首先取值90％；二为主承载及次承载方向刚度约束，主承载方向刚度550n/mm～600n/mm，次承载方向刚度330n/mm～360n/mm；三为优化节点集相对于各自对称轴的对称约束。目标为最大应变最小化。设定迭代次数40，运行tosca进行结构优化，查看优化结构及优化结果，刚度及应变结果不满足要求则调整橡胶主簧截面变化率重新进行优化，直到满足性能要求为止，橡胶主簧结构正向设计完成。
69.本发明乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，为模型简化方法，将橡胶衬套
进行简化，垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为3个封闭面，分别是内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面；基于橡胶材料收敛性的网格画分方法，画分原则为平行四边形位于环切面两条边间的边与主承载方向夹角在30
°
～55
°
之间，以满足收敛性要求。
70.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：a、橡胶衬套几何模型导入；b、橡胶衬套几何模型简化；c、仿真建模c1、网格画分；c2、结构材料及截面属性设定；c3、约束、载荷及输出设定；d、模型调试及计算；e、导入tosca设定优化参数，进行结构优化，查看优化结构及优化结果，刚度及应变结果不满足要求则调整橡胶主簧截面变化率重新进行优化，直到满足要求为止，橡胶主簧结构正向设计完成。2.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：步骤a，使用hypermesh导入橡胶衬套初始设计几何模型，模型包括内管、外管以及橡胶主簧。3.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：步骤b，将橡胶衬套进行简化，垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为3个封闭面，分别是内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面。4.根据权利要求3所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：内管剖面包含内管内线及外线，外管剖面包含外管内线及外线，橡胶主簧剖面包含主簧内线、外线及环切线，环切线一般为4条，沿主承载方向有2条对称环切线，次承载方向有2条对称环切线。5.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于，步骤c1，具体为：将环切线以一定数值进行washer操作，生成4个两两对称的环行面，主承载方向两个环行面要保证限位要求，将环行面分割出限位接触区的非设计区域及设计区域；取1/4模型进行网格画分，画分为平行四边形，平行四边形位于环切面两条边间的边主承载方向夹角在30
°
～55
°
之间；其它面同样画分四边形网格，交界线均共节点处理；1/4网格画分完成后进行两次对称操作，得到整体网格模型。6.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：步骤c2，内管及外管材料按照实际材料赋予，橡胶主簧结构为橡胶材料，采用mooney_rivlin本构模型，3个截面属性均赋为二维平面应变单元属性。7.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：步骤c3，外管节点全约束，内管加载，输出全部节点位移及单元应变。8.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于，步骤d，具体为：用abaqus2d隐式静力分析对仿真模型进行计算，并对收敛性进行调试，获得初始仿真计算结果。9.根据权利要求1所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于，步骤e，具体为：将调试完成的模型导入tosca软件进行结构优化，优化类型为形状优化，变量为优化节点集的平面运动量，目标为最大应变最小化，设定迭代次数，运行tosca进行结构优化。
10.根据权利要求9所述的一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，其特征在于：约束有3项，一为主簧橡胶截面面积变化率＝优化节点集平面运动后截面面积/原始截面面积，取值在90％～110％之间；二为主承载及次承载方向刚度约束，三为优化节点集相对于各自对称轴的对称约束。

技术总结
本发明涉及一种乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，包括橡胶衬套几何模型导入；橡胶衬套几何模型简化，垂直轴向将内管、外管和橡胶主簧切分为内管剖面，外管剖面及橡胶主簧剖面；仿真建模：网格画分；结构材料及截面属性设定；约束、载荷及输出设定；模型调试及计算；导入Tosca设定优化参数，进行结构优化，查看优化结构及优化结果，刚度及应变结果不满足要求则调整橡胶主簧截面变化率重新进行优化，直到满足要求为止，橡胶主簧结构正向设计完成。本发明乘用车控制臂橡胶衬套结构正向设计方法，通过简化橡胶衬套结构，并对简化模型进行结构优化，正向设计橡胶主簧结构；解决了橡胶主簧设计难点，同时缩短橡胶衬套开发周期35％左右。35％左右。35％左右。


技术研发人员：李继川 韩超 余景龙 王涛 孟夏蕾 许晓珊
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/4