下擺臂自由形狀優化

廉俊盛　謝穎　陳雷

摘要：某車型在試驗場進行強化耐久性試驗時，行駛致9000km時，下擺臂發生斷裂，經過多方面分析，找到擺臂斷裂的原因，使用optistruct的自由形狀優化，對斷裂位置進行結構優化，使其滿足強度耐久需求。

關鍵詞：下擺臂;強化耐久;optistruct;自由形狀優化

0? 引言

某車型在試驗場進行強化耐久試驗時，在車輛行駛9000km時，下擺臂上與減震器相連的位置發生斷裂。經判定，排除了材料與工藝等問題，此次斷裂屬于結構設計缺陷。CAE分析結果顯示，原設計存在疲勞斷裂風險。本文詳細闡述了利用optistruct的自由形狀優化方法，得出優化的方向，與設計部門確認可行性后，得出最終優化方案。

1? 模型介紹

下擺臂連接轉向節、副車架、穩定桿、彈簧及減震器。采用4mm二階四面體單元，模型共包含61867個單元，下擺臂與轉向節、穩定桿及阻尼減震器的連接使用rbe2，與彈簧及副車架的連接使用rbe3。下擺臂材料為鑄鐵，質量為19kg。斷裂位置發生在與減震器連接點的附近。

2? 模型分析

2.1 原結構仿真結果

經研究發現，在行駛過程中，減震器推力過大，使下擺臂發生疲勞破壞。采用慣性釋放，模擬在行駛過程中減震器最大推力10000N，方向沿著減震器的方向。采用None觀察結果，最大應力為304.7MPa，最大應力位置與斷裂位置一致。

2.2 自由形狀優化

使用optistruct的free shape優化功能，先使用殼單元，做出可優化的最大空間，將下擺臂質量及應力，設置為response，應力響應作為約束，設置上限為200MPa，質量響應作為目標，設置為最小。

對比優化的第一步與最后一步發現，在該工況下，在左側起筋，比右側起筋更高效。（圖4）

2.3 優化后仿真結果

根據自由形狀優化的結果，結合實際的工藝，在斷裂位置，順著臂的邊緣，增加了一條筋，再次進行相同工況的仿真，最大應力為217.2MPa，優化效果明顯。（圖5）

2.4 試驗驗證

新的下擺臂安裝到試驗車上，進行強化耐久試驗，跑完強化歷程15000km，下擺臂為發生斷裂，驗證了優化方案的有效性。

3? 結論

通過自由形狀優化，為設計提供參考，使下擺臂最大應力從304.7MPa降到了217.2MPa，優化后的下擺臂，滿足設計要求。驗證了自由形狀優化是有效和可行的。

參考文獻：

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[3]汪浩然，程潔.PROFINET技術在旋轉機械臂控制系統的設計應用[J].內燃機與配件，2018（22）：209-210.

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作者簡介：廉俊盛（1990-），男，碩士， 研究方向為CAE結構耐久;謝穎（1987-），女，本科， 研究方向為CAE結構耐久;陳雷（1981-），男，碩士， 研究方向為CAE。