Torsion beam suspension is widely used in the rear suspension for small passenger cars because of its structural simplicity, low cost and good space availability. Recently, weight reduction is more required due to various benefits in automotive components design. It is difficult to design of torsion beam since that should satisfy torsional stiffness and eigenvalues as well as weight reduction. Conventional design processes are highly dependent on the designer’s experience and inefficient. Thus systematic design is needed using optimization methods. In the present work, in this regard, optimal design for torsion beam using level set based topology optimization is proposed.
In the conventional level set based topology optimization, the optimum topology strongly depends on the initial level sets due to incapability of inner-front creation during optimization process. Therefore level set based topology optimization needs inner-front creation algorithm. In this work, the new measure for inner-front creation for eigenvalue problem of shell structure using conventional inner-front creation algorithm. In the algorithm, the measure of inner-front creation for eigenvalue problem is chosen as the sensitivity of generalized energy functional with respect to constraint. In order to facilitate the inner-front creation process, the inner-front creation map is constructed and used to define new level set function. The proposed algorithm is verified by comparing with benchmarking problems. From examples, it is shown that the present method brings in much needed flexibility in topologies during the level set based topology optimization process.
As a result of the study the optimal design of torsion beam with respect to eigenvalues and torsional stiffness is suggested. Performances of the suggested design are compared with those of the initial one.
토션빔 후륜 현가장치는 단순한 구조, 높은 공간 활용성, 낮은 원가로 인해 소형 FF(Front engine-Front wheel drive) 차량에 많이 사용되고 있다. 토션빔을 설계할 때는 비틀림강성이나 고유진동수를 고려해야 할 뿐만 아니라 중량감소를 통해 차량의 경량화에 기여할 수 있어야 한다. 하지만 현재까지의 토션빔 최적설계 연구들은 기구학적인 방법이나 실험계획법 등에 의존한 반복적인 노력이 많이 드는 방법으로 체계적인 최적설계 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 토션빔이 갖추어야 할 설계요구사항을 만족시킬 수 있으면서 경량화를 달성할 수 있는 최적설계방법을 이용한 토션빔의 체계적인 설계기법에 관한 연구가 필요하다.
위상최적화에서 기존 균질화법이나 밀도법은 경계가 불규칙하게 생성되고 바둑판 무늬가 나타나는 한계점이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 해결할 수 있는 레벨셋 기반 위상최적화 기법을 사용하고자 한다. 레벨셋 기반 위상최적화를 이용하여 토션빔의 설계요구사항인 비틀림강성과 고유진동수를 고려하면서 경량화를 달성할 수 있는 설계기법을 제시하고자 한다. 그러나 기존의 레벨셋 기반 위상최적화는 내부 경계의 생성을 동반한 위상 변화를 얻을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 고유치 문제에 대한 적응적인 내부 경계 생성 알고리즘의 척도로서 일반화된 에너지범함수민감도를 제안하고 내부 경계 생성 맵을 구성하여 새로운 내부 경계 영역을 생성하였다.
본 연구의 결과로서 제안한 내부 경계 생성 알고리즘을 적용한 레벨셋 기반 위상최적화를 이용하여 토션빔의 경량화를 이루면서 동시에 비틀림강성과 관심모드인 비틀림모드에 관한 고유진동수를 최대화하는 최적 형상을 제안한다.
