汽車下控制臂的輕量化設(shè)計及仿真分析

于用軍，王帥，李飛，黃小征，郭永奇

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車下控制臂的輕量化設(shè)計及仿真分析

于用軍，王帥，李飛，黃小征，郭永奇

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為提高汽車的輕量化水平，應(yīng)用有限元法對某車型下控制臂的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，并應(yīng)用Optistruct軟件分別對其進(jìn)行了形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化分析，采用形狀優(yōu)化分析方法確定了下控制臂的最佳形狀變化，從而有效的降低了控制臂的最大應(yīng)力；通過尺寸優(yōu)化使控制臂的質(zhì)量達(dá)到了3.4kg，比優(yōu)化前降低了19%。結(jié)論：采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化的汽車下控制臂具有較好的輕量化水平，從而為整車輕量化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

控制臂；輕量化；強(qiáng)度；優(yōu)化；形狀；尺寸

CLC NO.: TH16 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-46-03

引言

輕量化對整車的動力性、濟(jì)性及安全性能均有著較大的影響，因此，提高車輛元件的輕量化水平已經(jīng)成為車輛研發(fā)的熱點(diǎn)問題[1]。汽車下控制臂作為懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向和傳力元件，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，同時保證車輪按照一定軌跡進(jìn)行運(yùn)動[2]。因此，確保汽車下控制臂具有良好的強(qiáng)度、剛度及輕量化水平，對汽車行駛的安全性及操縱穩(wěn)定性具有重要意義?？刂票鄣妮p量化水平不僅與其材料、制造工藝等因素有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形狀有著密切關(guān)系，所以對控制臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究已成為提高控制臂輕量化水平的主要途徑[3]。

國內(nèi)外對汽車控制臂的輕量化研究主要集中在材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計上[4]。樂天聰對下控制臂先后進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化以及相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計，實現(xiàn)了減輕零件重量而不犧牲關(guān)鍵性能的目標(biāo)[5]。 Soo-lyong Leea將鋁合金材料應(yīng)用到控制臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從而提高了控制臂的輕量化水平[6]。Hannes Fuchs 對不同工藝下的控制臂性能進(jìn)行了對比分析，得出了沖壓成型的控制臂在重量和制造成本等方面有著較好的性能[7]。目前，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到控制臂的輕量化設(shè)計中還相對較少。

研究將形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化的設(shè)計方法應(yīng)用到控制臂的輕量化設(shè)計中，并對優(yōu)化后的控制臂進(jìn)行了不同工況下的應(yīng)力分析。

1 控制臂強(qiáng)度的仿真分析

1.1 模型建立

研究所采用的控制臂主要由前襯套、后襯套、上連接板、下連接板和外球鉸五部分焊接而成，其上連接板和下連接板厚度分別為3.5mm和2.5mm。在仿真計算時，選用QSTE460鋼材作為控制臂的材料，其彈性模量為210 GPa、屈服強(qiáng)度為0.46 GPa、泊松比為0.31、密度為7.9e-6kg·mm-3。如圖1所示，為了模擬控制臂的實際工作情況，研究采用慣性釋放方法對控制臂進(jìn)行約束[8]，分別對控制臂施加垂直、轉(zhuǎn)向、最大制動、最大加速四種極限工況。

圖1 有限元模型

1.2 強(qiáng)度分析

圖2 控制臂應(yīng)力云圖

為了對控制臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考和理論依據(jù)，研究采用有限元法分別對控制臂在四種極限工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，其應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知：垂直工況、轉(zhuǎn)向工況和最大加速工況下控制臂的最大應(yīng)力分別為58MPa、143MPa和185MPa，其材料的屈服強(qiáng)度為460MPa，由此可見，這三種工況下的最大應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。圖2c為控制臂在最大制動工況下的應(yīng)力云圖，由圖2c可知：最大制動工況下控制臂的最大應(yīng)力為 431MPa，與材料的屈服強(qiáng)度較為接近，因此，在制動工況下控制臂極易發(fā)生斷裂破壞。

2 形狀優(yōu)化及強(qiáng)度分析

2.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化技術(shù)通過將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)移動或者變形到某個新的位置，相當(dāng)于改變零部件的 CAD設(shè)計，從而提高零部件的性能，如提高剛度，模態(tài)，減低應(yīng)力集中等。

為提高控制臂在各工況下的安全性能，研究采用形狀優(yōu)化設(shè)計方法來降低控制臂的最大應(yīng)力，在形狀優(yōu)化設(shè)計中，將控制臂出現(xiàn)最大應(yīng)力區(qū)域作為設(shè)計變量，以最小化最大應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，圖3為控制臂形狀優(yōu)化的變形圖，由圖3可知，控制臂上下板的最大起筋高度為5mm，形狀變形主要集中在最大制動工況的最大應(yīng)力處。

圖3 控制臂形狀優(yōu)化形變云圖

2.2 強(qiáng)度分析

圖4 形狀優(yōu)化應(yīng)力云圖

為了驗證形狀優(yōu)化后控制臂的安全性能，研究對控制臂在不同工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。圖4為控制臂在四種極限工況下的應(yīng)力云圖，由圖4可知：控制臂在垂直工況下的最大應(yīng)力為50MPa，比優(yōu)化前降低了14%。轉(zhuǎn)向工況和最大加速工況下的最大應(yīng)力分別為144Mpa和176Mpa，與優(yōu)化前較為接近。最大制動工況下的最大應(yīng)力為 329MPa，比優(yōu)化前降低了23%。分析認(rèn)為，采用形狀優(yōu)化設(shè)計方法可以在最大應(yīng)力處改變控制臂的幾何形狀，從而有效的降低了控制臂在各工況下的最大應(yīng)力。

3 尺寸優(yōu)化及強(qiáng)度分析

3.1 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是一種經(jīng)典的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，可以對有限元模型的各種參數(shù)，如板件厚度，桿梁截面尺寸，材料特性，彈性元件剛度等進(jìn)行優(yōu)化。尺寸優(yōu)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計階段，通過對尺寸和參數(shù)的調(diào)整來達(dá)到提升性能或者減輕重量的效果。

在尺寸優(yōu)化模型中，上連接板和下連接板的壁厚為設(shè)計變量，將控制臂最大應(yīng)力低于460MPa作為約束，以控制臂體積最小化為目標(biāo)函數(shù)。圖5為控制臂尺寸優(yōu)化后的厚度分布云圖，由圖5可知：優(yōu)化后上連接板的壁厚為2.6mm，比優(yōu)化前減薄了0.9mm。優(yōu)化后下鏈接板的厚度為2.2mm，比優(yōu)化前減薄了0.3mm。通過分析可知：采用尺寸優(yōu)化后的控制臂總質(zhì)量為3.4kg，比優(yōu)化前降低了19%。

圖5 尺寸優(yōu)化云圖

3.2 強(qiáng)度分析

圖6 尺寸優(yōu)化后應(yīng)力云圖

鑒于考慮尺寸優(yōu)化后控制臂的安全性能，研究對控制臂在不同工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。圖6為控制臂尺寸優(yōu)化后的應(yīng)力云圖，由圖可知：控制臂的垂直，轉(zhuǎn)向，最大制動和最大加速工況分別為 63MPa、203MPa、454Mpa和236Mpa，均低于材料的屈服強(qiáng)度，因此，采用尺寸優(yōu)化的控制臂在四種極限工況下有著較高的安全性能，滿足設(shè)均計需求。

4 結(jié)論

形狀優(yōu)化分析方法有效的降低了控制臂的最大應(yīng)力，為控制臂的輕量化設(shè)計提供基礎(chǔ)。通過尺寸優(yōu)化技術(shù)使控制臂的上連接板和下連接板的壁厚分別減少了0.9mm和0.3mm，從而使控制臂的總質(zhì)量降低了17%，尺寸優(yōu)化后的控制臂在四種工況下的應(yīng)力均滿足設(shè)計要求，因此，聯(lián)合采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化技術(shù)，有效的實現(xiàn)了控制臂的輕量化，為整車輕量化設(shè)計提供了理論依據(jù)和參考方向。

[1] Heo S J, Kang D O, Lee J H, et al. Shape optimization of lower control arm consideringmulti-disciplinary constraint condition by using progress meta-model method [J]. Internation-al Joural Of Automotive Technology,2013,14(3)：499-505.

[2] 黃河.汽車懸架下控制臂輕量化優(yōu)化設(shè)計及疲勞性能分析[D].吉林大學(xué),2013.

[3] 尹安東,王歡,豆力.電動汽車麥弗遜式懸架下控制臂輕量化研究[J]. 汽車科技,2013.3（1）：1-4.

[4] 范子杰,杜良進(jìn),蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2014.5(1)：1-16.

[5] 樂天聰.某轎車懸架控制臂有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].吉林大學(xué).2009.

[6] Soo-lyong Leea, Dong-chan Leeb. Integrated process for structuraltopological configuration design of weight-reduced vehicle com-ponents[J].Finite Elements in Analysis and Design,2007.43(8)：620-629.

[7] Hannes Fuchs,Richard Salmon.Lightweight MacPherson Strut Sus-pension Front Lower Control Arm Design Development[J].Sae worldcongress&Exhibition,2011.30(2)：157～164.

[8] 扶原放,金達(dá)鋒,喬蔚煒.慣性釋放原理在車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與研究,2009.25(1)：65-67.

Lightweight design and Simulation analysis of the automobile lower control arm

Yu Yongjun, Wang Shuai, Li Fei, Huang Xiaozheng, Guo Yongqi
( Brilliance automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

In order to improve the level of light weight of the vehicle, the research thinks of the lower control arm as the research object, the linear finite element method is used to simulate the strength of the lower control arm. The optistruct software was used to optimize the shape and size, and the optimal shape of the lower control arm is determined by the topography optimization method, reducing effectively the maximum stress of the lower control arm; The weight of the lower control arm applying size optimization method was 3.4 kg, which was reduced 19%. Conclusion： the vehicle lower control arm applying the optimization of the shape and the size has a good level of light weight, so as to provide a theoretical basis for vehicle lightweight design.

control arm; light weight; strength; optimization; shape; size

TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-46-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.015

于用軍，輕量化設(shè)計工程師，就職于華晨汽車工程研究院。