汽车摆臂结构拓扑优化设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景及意义

目前，汽车轻量化已经成为了汽车研发的一大趋势，为了降低汽车能耗、提高汽车续航能力，国内外各大企业都在对汽车轻量化的研究上投入了高额的研发经费，通过结构优化以及新材料的使用，已取得了不错的成果^[1]。而其中汽车零部件的结构设计是汽车轻量化设计与研发生产的基础和关键，汽车零部件的质量以及性能会直接影响到汽车整体的质量和性能，进而影响到用户的乘坐舒适性和驾驶可靠性^[2]。其中汽车摆臂也被称为控制臂，是汽车独立悬挂系统中的重要零部件。摆臂在汽车悬架系统中主要起到向导和支撑汽车车身的作用，如果其发生变形则会影响到车轮的定位，产生跑偏以及车轮的不正常磨损，在汽车行驶中会产生噪声，操控性下降，大大增加驾乘人员的安全隐患^[3]。因此需要在保证零部件的质量和性能指标下，对汽车摆臂进行轻量化设计。

现代的零部件设计方法相对于传统的设计方法是动态的，通过计算机仿真模拟零部件的约束条件、受载情况，在满足性能指标和质量要求的情况下进行结构设计，若零部件不能满足性能指标和质量要求，可以马上修改零部件，然后继续进行模拟分析，直到达到所需的性能指标和质量要求为止^[3]。现代的零部件设计方法大大缩短了研发周期，节省了生产成本，节约了资源，这其中就包括了拓扑优化、形状优化、尺寸优化。拓扑优化是一种在给定的区域内，根据所给定的负载情况、约束条件和性能指标，对材料分布进行优化的方法，其在建筑、汽车设计、航天航空等领域有着较为广泛的应用^[4]。即在一个确定连续的设计域内寻求结构内部材料的最佳分布及节点联结方式的最优化，使零部件结构能在满足所有的约束条件下，使结构的承载最优，并达到最优的性能指标^[5]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

根据汽车摆臂以及拓扑优化在国内外的研究现状，本课题研究的主要目的是：学习研究变密度法的结构拓扑优化方法，对该方法的数学模型推导以及构建，并用matlab编程实现该方法，对其中相关参数的选取对优化结果的影响进行讨论以及将其应用简单的实例上，然后对汽车摆臂案例进行拓扑优化，使汽车摆臂在满足刚度和强度等性能指标的条件下，得到材料的最优分布，将该零件的重量尽可能地减轻，达到轻量化的要求。基于以上，查阅变密度法的相关文献，构建变密度法的数学模型，完成变密度法的matlab程序的编写，对相关参数的选取进行讨论，在简单的实例上应用程序，对优化结果进行分析，然后利用优化软件对汽车摆臂建模以及优化设计，并重构设计方案进行验证。因此，研究内容主要包括：

（1）编写基于变密度法的拓扑优化算法，对相关参数的选取进行探讨；

（2）对汽车摆臂结构进行三维建模；

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献，明确研究内容，完成开题报告；

第3-4周：完成5000字的文献翻译；

第5-7周：学习变密度法，用matlab编程实现，对相关参数的选取进行讨论，并通过算例验证；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]黄福洲, 蔡剑, 王德远, 等. 基于拓扑优化的新能源汽车摆臂轻量化设计[j]. 计算机辅助工程, 2019, 28(02): 38-41.

[2]周俊. 铝合金摆臂拓扑优化及成型过程模拟仿真研究[d]. 安徽工程大学, 2018: 81.

[3]王鹏. 基于hyperworks的汽车摆臂拓扑优化设计[d]. 河北工程大学, 2012: 69.