汽車碳纖維復合材料控制臂輕量化設計及驗證

解 瑩，郭永奇，何慶時，鄒 銳

汽車碳纖維復合材料控制臂輕量化設計及驗證

解 瑩，郭永奇*，何慶時，鄒 銳

（營口理工學院機械與動力工程學院，遼寧 營口 115014）

為了有效利用碳纖維復合材料的力學特性，采用碳纖維復合材料對某汽車控制臂進行了輕量化設計。首先建立了原鋼質控制臂有限元模型，通過模態實驗驗證了其準確性，并對鋼質控制臂進行了剛度分析和強度分析。然后基于鋼質控制臂幾何特征進行碳纖維復合材料控制臂幾何重構，考慮其質量、振動特性、剛度、強度和工藝約束等，對碳纖維復合材料控制臂進行自由尺寸優化、尺寸優化和鋪層次序優化，獲得了最佳碳纖維復合材料鋪層形狀、厚度和鋪層順序。最后通過與原鋼質控制臂性能對比可知，控制臂縱向剛度和側向剛度分別增加了13.6%和1.4%，同時強度和振動特征均大幅提升，質量降低了63.7%，取得了顯著的輕量化效果。

控制臂；碳纖維復合材料；尺寸優化；鋪層次序優化；輕量化

汽車輕量化是節能減排的必然需求，也是汽車產業可持續發展的必經之路。碳纖維復合材料作為新型輕量化材料，具有密度小，比剛度、比模量大，可設計性強等特點，適用于電動汽車結構件的輕量化設計，引起了學者的廣泛關注[1-3]。蔣榮超等[4]使用碳纖維復合材料對扭轉梁懸架中的鋼制橫梁進行替換，并通過復合材料結構優化設計對橫梁截面進行了改進設計，最終取得了顯著的輕量化效果。HARTMANN等[5]將碳纖維復合材料應用于電池箱結構，以改善其振動和剛度性能。馬芳武等[6]研究了碳纖維復合材料B柱，在保證其各項性能的前提下，減輕了B柱加強板的質量。LIU等[7]設計開發了復合材料結構的保險杠構件，以滿足碰撞安全性和輕量化要求。綜上所述，碳纖維復合材料應用車身構件較多，在底盤關鍵部件設計的應用還不夠充分。

控制臂是汽車底盤的重要零部件，直接影響懸架系統的性能，關乎汽車的操穩性和舒適性。在控制臂輕量化設計過程中，保證其結構性能尤為重要，因此，國內外學者對碳纖維復合材料控制臂進行了相關研究。蔣榮超等[8]基于灰色關聯分析進行了碳纖維復合材料控制臂鋪層參數優化，實現減重的同時提高其控制臂結構性能。楊紹勇等[9]探究了基于鋪層設計特性的復合材料承載結構件優化方法，并以控制臂為例進行其結構優化，通過與鋼質結構相比較驗證其方法的可行性。KIM等[10]基于微種群遺傳算法探究了不同鋪層順序對碳纖維復合材料控制臂屈服性能和剛度性能的影響。劉越等[11]結合正交試驗設計方法對基于等剛度原理設計的碳纖維復合材料控制臂進行了優化設計，與原鋼質控制臂相比較，所設計的輕量化碳纖維復合材料控制臂滿足其目標。

本文以控制臂為研究對象，綜合考慮工藝和鋪層設計要求，對碳纖維復合材料控制臂進行了自由尺寸優化、尺寸優化和鋪層順序優化，在保證性能目標的同時，得到最佳的控制臂結構設計方案，最后通過與原鋼質控制臂各項性能對比分析，驗證其輕量化設計的可行性。

1 原鋼質控制臂有限元分析

1.1 原鋼質控制臂有限元模型

原鋼質控制臂是由上、下連接板以及周邊連接板和襯套焊接而成，利用球鉸（外點）與轉向節相連，通過襯套（前點和后點）連接在副車架上。將懸架控制臂經過幾何簡化、幾何清理和抽取中面等，采用5 mm的2D單元進行網格劃分。焊接部分采用共節點處理，與轉向節和副車架連接點到控制臂本體之間采用RBE2剛性單元連接，最終有限元模型如圖1所示。

圖1 原鋼質控制臂有限元模型

通過賦予其材料屬性，對鋼質控制臂有限元模型進行自由模態仿真，得到其固有頻率。采用力錘激勵方式進行模態試驗，使用橡皮繩將其懸吊來模擬其自由邊界條件，并在其上布置測試點以獲取其幾何輪廓，試驗布置形式如圖2所示。得到的固有頻率仿真與試驗結果如表1所示。通過對比可知，二者基本一致，模態振型基本吻合，說明所建立的有限元模型滿足工程分析需要。

圖2 原鋼質控制臂自由模態試驗布置圖

表1 鋼質控制臂自由模態仿真與試驗結果對比

模態階數固有頻率/Hz相對誤差/% 仿真試驗 1339.6345.51.7 2576.8582.51.0 3670.5657.22.0 4876.7851.03.0 5962.2964.50.2 61 144.31 138.00.6

1.2 原鋼質控制臂剛度分析

控制臂是連接車輪與車身的關鍵零部件，在汽車直線運動過程中主要承受縱向力，在轉彎過程中主要承受側向力，因此，其縱向剛度和側向剛度可作為性能分析的評價指標。在對控制臂進行剛度分析時，添加約束條件如圖3所示，約束類型設置為單點約束（Single Point Constraint, SPC），分別在控制臂外點施加沿和方向1 000 N載荷，考察外點在兩個方向的最大變形量，以計算其縱向剛度和側向剛度，分析結果如表2所示。

圖3 原鋼質控制臂剛度分析邊界條件

表2 鋼質控制臂剛度分析結果

剛度方向剛度/(N·mm-1) 縱向（X向）2 426 側向（Y向）74 405

1.3 原鋼質控制臂強度分析

汽車在行駛過程中，懸架控制臂相對于車身并非靜止狀態，而是繞著前、后點安裝位置的連線上下擺動[12]。如果控制臂與車身安裝點采用固定約束，約束點的反力會影響控制臂強度分析結果。為了有效解決該問題，采用慣性釋放的方法對其進行強度分析。在進行慣性釋放分析時，將控制臂的外點設置為“虛支座”，即約束該節點的全部自由度，約束類型設為SUPPORT1[13]。

懸架控制臂受力情況較為復雜，通過多體動力學仿真計算獲取汽車在前加速、前制動、左轉、右轉等4種工況下的受力載荷，控制臂在不同工況下各連接點受力載荷如表3所示。

通過有限元強度分析可知，前制動工況下的最大應力為472 MPa，其應力分布如圖4所示。其余三種工況最大應力遠小于前制動工況，前加速工況和右轉工況的最大應力均小于左轉工況的最大應力。因而，在后續碳纖維復合材料控制臂優化分析時需特別注意前制動工況。

表3 鋼質控制臂載荷條件 單位：N

安裝位置載荷前加速前制動左轉右轉 FX-4 81410 168281-3 122 外點FY541-475-1 4156 045 FZ-261612138-630 FX1 038-1 765-38412 前點FY-6 36612 7791 764-9 834 FZ568-1 062-133817 FX3 777-8 405-2432 710 后點FY5 823-12 307-3483 784 FZ-27947723-159

圖4 前制動工況下原控制臂應力云圖

2 碳纖維復合材料控制臂結構設計

由于原鋼質焊接型控制臂組成結構較為復雜，同時考慮到碳纖維復合材料力學性能優異，將在保持原有安裝方式和位置的基礎上對其進行幾何重構。首先以原控制臂結構外輪廓為邊界構成封閉幾何，然后創建U型截面單層板結構外形[14]，幾何重構過程如圖5所示。

圖5 控制臂幾何重構過程

基于OptiStruct對重構的控制臂幾何模型進行碳纖維復合材料結構優化，采用T300/環氧樹脂復合材料，其基本性能如表4所示。依次經過自由尺寸優化、尺寸優化和鋪層順序優化獲得最佳的碳纖維復合材料控制臂結構。

表4 碳纖維復合材料基本性能

參數密度/(kg·m-3)縱向彈性模量/GPa橫向彈性模量/GPa泊松比面內剪切模量/GPa縱向拉伸強度/MPa縱向壓縮強度/MPa橫向拉伸強度/MPa橫向壓縮強度/MPa面內剪切強度/MPa 參數值1 60018110.30.287.171 3471 22768.911291

2.1 自由尺寸優化

自由尺寸優化屬于概念設計階段，即將不同鋪設角度視為不同的超級層，每一鋪設角度的超級層系統默認均有4個疊加層組，從而實現超級層厚度可連續變化。超級層設為45°、-45°、0°、90°四種角度，通過Symmetric Smear方式模擬鋪層形式，實現對稱鋪設且忽略鋪層順序對復合材料力學性能的影響。在自由尺寸優化階段，還需要設置制造約束，例如每一鋪設角度在總厚度中的百分比、層壓板的總厚度等[15]。初步設定超級層總厚度為16 mm，即4個鋪層角度的超級層厚度均為4 mm，自由尺寸優化問題具體設置如下：

1）設計變量：每個單元的超級層厚度；2）目標：縱向剛度和側向剛度加權柔度最小；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；45°和-45°鋪層形狀和厚度保持一致；每一超級層鋪設角度所占比例為10%～60%。

經過自由尺寸優化后得到各角度鋪層最優形狀，即不同鋪設角度超級層厚度的分布，如圖6－圖8所示，其中鋪層角度±45°的厚度分布云圖相同。

圖6 超級層角度0°的厚度分布

圖7 鋪層角度±45°的厚度分布

圖8 鋪層角度90°的厚度分布

2.2 尺寸優化

經過自由尺寸優化確定了控制臂各鋪層角度的不規則厚度分布，每一鋪層角度均由4種不同形狀組成。為了確定不同鋪層角度各鋪層形狀厚度，對各不同鋪層角度的鋪層厚度進行尺寸優化，具體設置如下：

1）設計變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標：質量最小；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度為45°和-45°；層形狀和厚度保持一致；可制造的每一鋪層厚度為0.25 mm；縱向剛度＞2 500 N.mm-1；側向剛度＞50 000 N.mm-1。

通過自由尺寸優化確定了最終總厚度為 15.5 mm，其中各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度結果如表5所示。

表5 各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度

鋪層厚度/mm ±45°-11.0 ±45°-20.5 ±45°-31.5 ±45°-41.0 0°-11.0 0°-20.5 0°-31.0 0°-41.0 90°-11.0 90°-20.5 90°-31.0 90°-41.5

2.3 鋪層順序優化

碳纖維復合材料具有明顯的各向異性，不同的鋪層順序對其性能影響不同，通過鋪層順序優化來提升控制臂的各項性能，根據尺寸優化結果進行鋪層順序優化，具體設置如下：

1）設計變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標：縱向剛度和側向剛度加權柔度最小（剛度最大）；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度-45°和45°成對出現；同一鋪層角度連續鋪設不超過2層；強度各工況最大應力≤460 MPa。

最終確定碳纖維復合材料控制臂按照不同形狀鋪設的層合板表示為[(±45°/90°/0°)6/(±45°/90°)2]s，其中s表示對稱。

3 對比分析

通過自由尺寸優化、尺寸優化和鋪層順序優化獲得了最佳的碳纖維復合材料控制臂結構，相比于最初鋼結構控制質量3.75 kg降低到了1.36 kg，控制臂質量降低了63.7%，實現了汽車控制臂的輕量化設計。通過有限元分析獲得四種工況下碳纖維復合材料控制臂的應力分布，其中前制動工況應力最大，如圖9所示。可以看出，前制動工況最大應力值為162 MPa，相比于鋼質控制臂強度得到大幅提升。

圖9 前制動工況應力分布云圖

設計優化后的碳纖維復合材料控制臂側向剛度和縱向剛度位移分布如圖10所示，外點和方向位移分別為0.363 mm、0.013 26 mm，從而確定其縱向剛度和側向剛度分別為2 755N.mm-1、 75 415 N.mm-1，相比原鋼質控制臂縱向剛度和側向剛度分別增加了13.6%和1.4%，可以看出側向剛度基本不變。

圖11 碳纖維復合材料控制臂一階振型云圖

此外，設計優化后的碳纖維復合材料控制臂固有頻率較原鋼質控制臂均有所提升，改善了其振動特性。其中，碳纖維復合材料控制臂一階模態振型云圖如圖11所示，一階固有頻率為506.7 Hz，相比于原鋼質控制臂提高了33%。

4 結語

本文以原鋼質控制臂為基礎，進行了碳纖維復合材料控制臂的輕量化設計，并通過自由尺寸優化、尺寸優化和鋪層順序優化相結合的方法對碳纖維復合材料控制臂進行優化設計，得到了最佳的控制臂結構設計方案，最后通過與原鋼質控制臂的各項性能結果進行對比分析，驗證其輕量化設計的可行性。考慮到碳纖維復合材料優異的力學特性，對原鋼質控制臂進行了結構簡化，通過復合材料結構設計，使得控制臂質量相比于原鋼質結構降低了63.7%。基于Optistruct的復合材料優化三部曲，獲取了滿足各項性能的碳纖維控制臂結構的鋪層形狀、鋪層厚度和鋪層順序。通過性能對比分析，碳纖維復合材料控制臂的強度、剛度及振動特性均有顯著提升，為汽車零部件輕量化設計提供了參考。

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Lightweight Design and Verification of Automobile Carbon Fiber Composite Control Arm

XIE Ying, GUO Yongqi*, HE Qingshi, ZOU Rui

( School of Mechanical and Power Engineering, Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China )

In order to effectively utilize the excellent mechanical properties of carbon fiber composites, the lightweight design of an automobile control arm is carried out by using carbon fiber composite material. Firstly, the finite element model of the original steel control arm is established, and its accuracy is verified through modal experiments,and the stiffness and strength analysis of the steel control arm are carried out.Then, based on the geometric characteristics of the steel control arm, the geometric reconstruction is carried out for the carbon fiber composite control arm,and considering the mass, vibration characteristics, stiffness, strength and process constraints, the optimization design of them are carried out by free size optimization, size optimization and laying sequence optimization, and the optimal carbon fiber composite with layer shape, thickness and layering sequence is obtained.Finally, by comparing with the performance of the original steel control arm,it is concluded that the longitudinal stiffness and lateral stiffness of the control arm increase by 13.6% and 1.4% respectively.Meanwhile, the strength and vibration characteristics are greatly improved, and the weight is reduced by 63.7%, achieving a significant lightweight effect.

Control arm; Carbon fiber composite; Size optimization; Laying sequence optimization; Lightweight

U463.33；TQ327.3

A

1671-7988(2023)18-130-06

解瑩（1989－），女，碩士，助教，研究方向為機械設計與有限元分析，E-mail:247861112@qq.com。

郭永奇（1988－），男，碩士，講師，研究方向為汽車輕量化設計與應用，E-mail:547130063@qq.com。

營口理工學院校級科研項目（YBL202122）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.025