基于強度的扭力梁優化

許元洪　林賢坤　彭永東　苗明達　劉岳飛

摘 要：通過有限元軟件HyperWorks對某汽車扭力梁在典型工況下的受力情況進行數值仿真，分析扭力梁在各個工況下的應力分布狀況，最后根據分析結果對扭力梁進行相應的結構優化。結果表明：改進后扭力梁最大應力得到顯著降低，且應力分布有明顯改善，達到優化目的。

關鍵詞：扭力梁；數值仿真；強度；應力分布；結構優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.017

1 引言

汽車后扭力梁是汽車底盤中的重要部件，主要承受汽車后軸在各個方向上傳遞給車架或車身的載荷。其性能的好壞直接影響汽車的舒適性和安全性。在汽車行駛過程中，后扭力梁除了容易產生彎曲和扭轉等變形，還會在各載荷的激勵下產生受迫振動，扭力梁的強度大小直接決定整車的使用壽命，所以對其強度大小進行分析是十分必要的。本文通過對某汽車扭力梁分別在側向工況、制動工況下的強度進行分析計算，并對應力較大的部件進行結構優化，使其應力降低，達到優化的目的。

2 扭力梁的有限元分析

2.1 模型搭建

扭力梁包括襯套管、襯套管加強板、縱臂、橫梁、彈簧座、減振器支架、輪轂安裝支架、輪轂安裝支架加強板等部件。實物中各部件之間通過焊縫進行連接，在模型搭建過程中用具有一定厚度的網格進行焊縫模擬，其中焊縫的厚度跟隨兩部件之中厚度較小的部件；采用具有剛性的rigids單元對輪轂進行模擬，對整個扭力梁采用混合類型的網格劃分，搭建完成的有限元模型如圖1所示。扭力梁所用材料為Steel，其彈性模量為2100MPa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3。

2.2 邊界條件的建立

扭力梁的擺臂是通過兩個襯套連接到車身上，約束載荷加載點分別為襯套管中心位置，輪心位置，輪轂與地面接觸點位置。三個工況中分別約束襯套連接車身端XYZ三個方向上的平動；側向工況中輪心左側位置未約束，右側位置約束XYZ方向的平動；制動工況中輪心左右位置約束Z方向上的平動。每個工況加載的情況不同，加載點不同，加載力的大小和方向也不同，側向工況和制動工況施加力，側向工況中施力點為輪胎接地點左側，在Z軸方向上施加大小為6200N的力；制動工況中施力點為輪胎接地點左右兩側，在Z軸方向上施加大小為10300N的力。

3 仿真及結果分析

最后將設置完成后的有限元文件提交求解器OptiStruct進行檢查計算，若有錯誤將停止檢查，需要進行相應的修改，若沒有錯誤將其提交進行分析計算，最后對扭力梁進行強度分析。

側向工況中，扭力梁最大應力為420.89MPa，位于彈簧座位置，最大值大于材料屈服極限；制動工況中，扭力梁最大應力為456.76MPa，位于彈簧座位置，最大值大于材料屈服極限；各工況應力分布云圖如圖2所示。

由云圖可知，在各個工況下，扭力梁所受到的最大應力是不相等，但是兩個工況下的應力值均超過所用材料的屈服強度，扭力梁在工作的過程中會產生疲勞斷裂，所以需要對扭力梁進行進一步的優化。

4 扭力梁結構優化設計

通過觀察扭力梁的應力云圖發現，應力較大處位于彈簧座處，而且超過彈簧座材料Steel的屈服強度380MPa，可知此處肯定產生疲勞開裂。因此，優化主要考慮彈簧座的結構以便扭力梁應力從之前的集中位置慢慢向其他位置過渡。設定如下優化方案，不改變其部件的厚度，將彈簧座直接與橫梁相連部分省去，延長彈簧座一側將其與縱臂搭接，并且增加彈簧座加強板連接彈簧座與橫梁，優化前后結構如圖3所示。將優化后的模型再次進行求解分析，結構優化后每個部件所受應力大小如圖4所示。

由上圖可知，在優化之后，扭力梁彈簧座應力有所下降，三個工況下部件9輪轂安裝支架內加強板受力仍最小，且其余各部件在各個工況下的應力都在其所使用材料的屈服極限以下，滿足材料所需要的要求。結構優化后的最大應力值與優化前最大應力值對比如表1所示。

由表可知，優化后模型在三種典型工況下最大應力值均滿足扭力梁所用材料的最大屈服極限，并且三種工況下的應力符合扭力梁在實際應用的應力分布情況，同時三種載荷下的應力均下降，其中扭轉工況下應力值降低較小。結構優化后的扭力梁應力值降低，滿足強度使用要求，達到優化的目的。

本方案是在不改變厚度和其他結構的情況下，通過添加彈簧座加強板連接彈簧座與橫梁的方法，降低最大應力值，達到提高結構鋼度的目的。

5 結束語

本文以某汽車扭力梁為例，根據其在運行過程中所受載荷及載荷分配不均，結合臺架實驗中出現的問題，運用有限元軟件HyperWorks建立扭力梁的有限元模型，進行強度分析和結構優化改進，具體結論如下：

a.在側向和制動工況中，應力最大值不同，但是都超過了材料的屈服極限，在實際工況中扭力梁會因為應力過大而導致斷裂。

b.通過增加彈簧座加強板以及修改彈簧座的搭接方式等方法可以明顯降低最大應力提高扭力梁的剛度，消除了扭力梁的斷裂隱患。

c.通過對側向，扭轉，制動三種典型工況分析可知，本優化方案具有實際的可操作性，對后扭力梁的優化及開發起到了重要的參考價值和借鑒意義。

d.利用有限元軟件分析可以縮短產品的開發周期，降低開發成本，減少實驗的次數，保證產品的質量，具有十分重要的意義。

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作者簡介：許元洪（1990-），男，河南周口人，碩士研究生在讀，研究方向：汽車輕量化。