基于solidThinking Inspire的控制臂優化設計

張 濤

（華晨雷諾金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110044）

前言

控制臂是具有導向和傳力作用的懸架部件。其主要作用是將車輪上各方向的力傳遞給車身，同時還能保證車輪按一定軌跡運動。控制臂分別通過球鉸和襯套把車輪和車身彈性地連接在一起。它的重量和性能參數對前懸架系統的整體表現有重要影響。

在汽車輕量化普遍受到主機廠重視趨勢下，控制臂的減重工作也顯得尤為重要。文章利用Altair公司的solidThinking Inspire軟件[1]（以下稱為solidThinking軟件）在產品開發前期進行拓撲優化[2]，在滿足強度性能要求的前提下，實現了結構的優化減重。

1 原始設計

圖1所示為某車型控制臂的原始設計結構，該結構已充分考慮了控制臂與周邊零件的空間位置關系，避免了裝配過程和車輛行駛過程中與周邊部件產生干涉。接下來所有在solidThinking軟件中進行的優化工作都是基于這個幾何模型。

圖1 控制臂原始幾何模型

2 優化流程

整體的優化設計思路如圖2所示。

圖2 優化流程

3 優化分析

3.1 定義設計空間

在開始進行優化設計前，首先定義結構的設計空間[3]，由于各安裝孔是用來固定和安裝控制臂的，需要保持位置和形狀基本不變，所以將其定義為非設計空間，而將控制臂的本體部分定義為設計空間。

圖3 定義設計空間

因為原始幾何為一體模型，不能將控制臂本體和安裝孔分別定義，所以在優化分析前通過solidThinking軟件參照原始幾何重新設計了新的安裝孔，使其與控制臂本體互為獨立但保持連接關系的幾何結構，這一改動對整個結構的強度影響可以忽略不計。

分別完成定義之后，設計空間的區域顯示為如圖3所示的紅棕色，非設計空間仍為灰色。

3.2 創建材料屬性

選取控制臂材料為STEEL（AISI304），材料性能參數為，楊氏模量 E：1.95×105Mpa；泊松比 Nu：0.29；密度 ρ：8.0×10-9t/mm3；屈服極限 σs：215Mpa。

3.3 創建載荷工況

3.3.1 創建邊界條件

根據控制臂在實車中的安裝狀態，對控制臂的副車架前安裝點施加 X、Y、Z三個方向的約束，對控制臂的副車架后安裝點施加Y、Z兩個方向的約束（根據過往的分析經驗，后安裝點放開 X向約束，應力計算會更準確一些），而對控制臂的轉向節安裝點施加Z方向的約束。

3.3.2 創建工況載荷

控制臂的轉向節安裝點一般采用球銷結構，所以只受力的作用，而不承受扭矩作用，另外因為施加了Z方向的約束，所以在該點只施加X、Y方向的力。在控制臂的副車架前安裝點，因為約束了所有平動自由度，所以不加載力，只施加扭矩。而在控制臂的副車架后安裝點，因為放開了X向約束，所以在該安裝點，施加X向的作用力和扭矩。

根據控制臂在車輛實際行駛中的受力情況，選取了如表1所示六個比較典型的強度分析工況。

表1 強度分析工況描述

將六個工況的載荷和約束施加到模型后如圖4所示。

圖4 載荷和約束

3.4 設置形狀控制

零部件拓撲優化后的結果在滿足優化目標的前提下，有時候會出現現有工藝無法實現的結構，這樣的結構對于后續的優化工作是沒有意義的。因此，優化過程中有必要用到solidThinking軟件的形狀控制模塊。

針對控制臂結構，選擇了雙向拔模。如圖5所示，上下箭頭代表拔模方向為雙向。

圖5 雙向拔模形狀控制

3.5 運行優化分析

3.5.1 運行優化分析

solidThinking軟件提供了兩種不同的優化目標，包括最小化質量（當以最小化質量為目標優化時，載荷幅值對于得到最準確的結果來說具有最關鍵性的作用。除了準確的載荷幅值，材料的選擇也會起到重要作用。）和最大化剛度（當以最大化剛度為目標優化時，求解器并不注重各個安裝點施加載荷的值，而會更加注重各個安裝點載荷值之間的相對比例。）。

首先將最大化剛度作為優化目標，質量目標設為設計空間總體的30%，厚度約束設置為最小30mm，最大60mm，其余選項均為solidThinking軟件默認值。

3.5.2 查看優化結果

設置完成后開始運行求解，當運行完成后，優化結果并不一定具有合理的結構。使用如圖6所示形狀探索器，拖動拓撲滑塊找到最佳形狀（以保證傳力結構的完整性和整個結構的工藝性為原則）。

圖6 形狀探索器

通過調整拓撲滑塊后，得到本次優化的結果如圖7所示。

圖7 最大化剛度—30%質量目標

3.5.3 調整優化目標

因為前文提到過，以剛度為目標進行優化時，軟件并不注重載荷值，所以得到的較為單薄的優化結果對整個結構的應力控制并不會太好。

接下來將質量目標調整到40%，依舊調整拓撲滑塊（后文中涉及到的優化結果都是通過調整拓撲滑塊得到，后續不再贅述）得到優化結果如圖8所示。

圖8 最大化剛度—40%質量目標

繼續上調質量目標到50%，優化結果如圖9所示。

圖9 最大化剛度—50%質量目標

接下來，再以最小化質量為目標進行優化，分別設置最小安全系數為1.8、1.5、1.2，得到優化結果如下圖10～12所示。

圖10 最小化質量—最小安全系數1.8

圖11 最小化質量—最小 安全系數1.5

圖12 最小化質量—最小安全系數1.2

結合原始結構和工藝性考慮，認為第三種和第六種拓撲結果是比較合理的優化方案。

3.5.4 優化結果幾何重構

導出第六種拓撲幾何模型，再基于該拓撲幾何模型，在catia軟件中對原始幾何進行有目的性的開孔重構，得到新的控制臂的幾何模型如圖13所示：

圖13 重構幾何模型

4 優化結果驗證

圖14 垂直沖擊工況

圖15 轉向工況

圖16 后制動工況

圖17 最大制動工況

圖18 最大加速工況

圖19 側碰工況

接下來通過Hyperworks軟件進行加載計算，對比優化前后控制臂各工況的應力情況。左為原始結構，右為優化后結構。各工況最大應力值如圖14～圖19所示。

詳細的最大應力數據對比如圖 20所示。應力單位為Mpa。

圖20 優化前后應力對比

優化后，各工況最大應力均有一定的增加，其中最大制動工況應力增加最多，應力值為159Mpa，仍小于材料的屈服極限215Mpa。一般情況下認為屈服極限即為許用應力[4]，但為確保留有一定的安全余量會用安全系數來控制許用應力的大小。而優化后最大制動工況仍有1.35的安全系數，因此從強度性能和安全系數角度考慮，優化的結果是滿足需求的。

5 結論

通過solidThinking軟件的優化分析，最終得到了控制臂的一種比較合理的材料分布狀態。在保證零件力學性能的同時，控制臂的重量也從最初的7.64kg下降到6.52kg，減重比例達到 14.6%。減重優化效果明顯，對設計部門有一定的參考價值。