某乘用車前懸下控制臂結(jié)構(gòu)性能評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：【目的】為了評(píng)估某乘用車前懸下控制臂的結(jié)構(gòu)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求?！痉椒ā渴紫?，基于有限元方法建立下控制臂網(wǎng)格模型，對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)仿真，獲取其前三階頻率。然后，建立前懸架多體動(dòng)力學(xué)模型，獲得下控制臂外聯(lián)點(diǎn)的力和扭矩，并采用慣性釋放方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度性能仿真，獲取各個(gè)工況的應(yīng)力水平。最后，對(duì)下控制臂的厚度進(jìn)行優(yōu)化，獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】下擺臂的前三階頻率均處于外部激勵(lì)頻率范圍之外，滿足振動(dòng)特性要求；各工況的最大應(yīng)力均低于材料屈服值，滿足強(qiáng)度屬性要求；優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)性能符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且其重量減輕了12.5%?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果能夠?yàn)橥惍a(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有效的借鑒和參考，具有重要的實(shí)際工程意義。

關(guān)鍵詞：下控制臂；模態(tài)；頻率；強(qiáng)度；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：游永忠，朱海燕，吳國(guó)棟，等. 某乘用車前懸下控制臂結(jié)構(gòu)性能評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（6）：106-111.

【研究意義】汽車懸架系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，其保證了車輛的操作穩(wěn)定性和舒適性。下控制臂是前麥弗遜懸架的導(dǎo)向與傳力部件，通過(guò)球鉸和襯套與車輪和副車架相連，在車輛行駛過(guò)程中承受來(lái)自不同方向的力和扭矩，可能引起異響和開(kāi)裂，其結(jié)構(gòu)性能直接影響車輛的可靠性和穩(wěn)定性，與此同時(shí)結(jié)構(gòu)的輕量化有助于提升整車的燃油動(dòng)力性，因此下控制臂設(shè)計(jì)需要兼顧各項(xiàng)性能要求和輕量化要求。

【研究進(jìn)展】謝穎等[1]采用慣性釋放方法對(duì)某下控制臂進(jìn)行強(qiáng)度仿真，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終滿足了強(qiáng)度要求。梁國(guó)棟等[2]為了解決下擺臂開(kāi)裂問(wèn)題，搭建了下擺臂有限元模型和前懸架動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度仿真和臺(tái)架測(cè)試，并且進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)，采用集成優(yōu)化平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，重量減小了6.5%。徐峰[3]基于建立的麥弗遜懸架模型，獲取了外聯(lián)點(diǎn)的載荷，得到了其強(qiáng)度應(yīng)力分布和模態(tài)頻率，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了輕量化。Song 等[4]分別采用響應(yīng)面和克里金近似模型對(duì)某擺臂進(jìn)行多目標(biāo)輕量化分析，對(duì)比了兩種方法的實(shí)際效果。

【創(chuàng)新特色】下控制臂載荷的提取涉及理論計(jì)算與多體動(dòng)力學(xué)模型的搭建，通過(guò)求解計(jì)算和分解獲取下擺臂外連點(diǎn)的力和扭矩。【關(guān)鍵問(wèn)題】為了分析某乘用車前懸下控制臂的結(jié)構(gòu)性能，首先基于有限元方法對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)仿真，獲取其低階模態(tài)頻率和振型，再對(duì)其前懸架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到其極限強(qiáng)度的力和扭矩，以此對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度仿真，再對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后達(dá)到輕量化的目的。

1 下控制臂模態(tài)性能評(píng)估

1.1 模態(tài)分析原理

下控制臂模態(tài)性能評(píng)估是指其固有模態(tài)和振型進(jìn)行計(jì)算，下控制臂的運(yùn)動(dòng)微分方程為[5-7]

Mx?（t）+Cx?（t）+Kx（t）= f （t） （1）

式中：M，C和K為下控制臂的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；x（t） 和f （t） 為下控制臂的位移向量和載荷向量。

通過(guò)傅里葉變換即得

（-ω ） 2M+ ωC + K x（ω）= f （ω） （2）

式中：ω 和x（ω） 分別為下控制臂的固有頻率及其振型。

1.2 建立有限元模型

某乘用車前懸下控制臂是鑄鋁件，重量為1.6 kg，其前點(diǎn)和后點(diǎn)與副車架相連，其外點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，將下控制臂的三維模型導(dǎo)入Hypermesh 軟件[8-10]中，首先對(duì)其進(jìn)行幾何清理和簡(jiǎn)化，刪除對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較小的部件和特征。由于該下控制臂外表面復(fù)雜，難以使用六面體單元建模，因此采用3 mm的CTRIA3單元對(duì)其表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且確保其最小單元大于1 mm，最大單元小于4 mm，長(zhǎng)寬比小于4，翹曲度小于15，扭曲度小于45，然后生成四面體網(wǎng)格單元。下控制臂材料為A6082，其彈性模量為7.3×104 MPa，泊松比為0.33，密度為2.7×103 kg/m3，屈服值為300 MPa，創(chuàng)建各項(xiàng)同性的材料及其屬性，并賦予下控制臂，以此建立下控制臂有限元網(wǎng)格模型，如圖1 所示。其中網(wǎng)格單元總共145 123 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總共34 318個(gè)。

1.3 模態(tài)分析結(jié)果

下控制臂的模態(tài)性能是其固有特性，有限元仿真時(shí)采用自由狀態(tài)，不施加邊界與約束。采用Nastran軟件[11-13]導(dǎo)入下控制臂的網(wǎng)格模型，設(shè)定頻率計(jì)算范圍為1～300 Hz，基于Lanczos 方法提取其固有頻率及其振型。下控制臂的低階模態(tài)對(duì)其模態(tài)性能起決定性作用，因此只提取下控制臂的前三階模態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

圖2 為下控制臂第一階振型。由圖2 可知，下控制臂第一階振型是頻率為115.3 Hz 的彎曲模態(tài)，前后點(diǎn)振幅較大，最大振幅為60.1 mm。

圖3為下控制臂第二階模態(tài)振型。由圖3可知，下控制臂第二階振型是頻率為159.0 Hz的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，外點(diǎn)振幅較大，最大變形為77.6 mm。

圖4為下控制臂第三階模態(tài)振型。由圖4可知，下控制臂第三階振型是頻率為198.7 Hz的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，后點(diǎn)振動(dòng)比較劇烈，最大振幅為59.6 mm。

該乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為800 r/min，通過(guò)換算即得其一階頻率為26.6 Hz，輪胎聲腔模態(tài)頻率通常為220 Hz左右，因此下控制臂的固有頻率有效避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率與輪胎聲腔激勵(lì)頻率，不會(huì)引起耦合共振，符合振動(dòng)特性設(shè)計(jì)要求。

2 下控制臂強(qiáng)度性能評(píng)估

2.1 前懸架動(dòng)力學(xué)仿真分析

車輛在行駛過(guò)程中承受縱向載荷、橫向載荷和垂向載荷，因此其強(qiáng)度工況可以分為縱向制動(dòng)、橫向轉(zhuǎn)彎和垂向跳動(dòng)。根據(jù)整車參數(shù)計(jì)算各個(gè)工況下輪胎接地點(diǎn)的受力狀態(tài)。采用Adams軟件[14-16]建立穩(wěn)定桿、副車架和擺臂柔性體，并根據(jù)前懸架系統(tǒng)各個(gè)連接點(diǎn)的坐標(biāo)信息、整車參數(shù)、性能曲線等搭建前懸架多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖5 所示?？v向制動(dòng)（1.2g）時(shí)輪胎垂向載荷為12 132.8 N，輪胎縱向載荷為12 132.8 N。橫向轉(zhuǎn)彎（1.2g）時(shí)輪胎垂向載荷為為11 917.2 N，輪胎橫向載荷為11 917.2 N。垂向跳動(dòng)（3.5g）時(shí)輪胎垂向載荷為57 166.7 N。在輪胎接地點(diǎn)分別施加相應(yīng)的載荷，以此進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，最終得到下控制臂前點(diǎn)、后點(diǎn)和外點(diǎn)分別在縱向制動(dòng)、橫向轉(zhuǎn)彎和垂向跳動(dòng)極限工況下的力和扭矩。

2.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

基于下控制臂有限元網(wǎng)格模型加載提取的力和扭矩，采用慣性釋放方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度性能仿真，以此獲取下控制臂在各個(gè)工況下的應(yīng)力水平和分布。

圖6 為下控制臂縱向制動(dòng)工況的應(yīng)力云圖。通過(guò)觀察圖6 可知，下控制臂的最大應(yīng)力為260.8 MPa，位于下控制臂外點(diǎn)附近，這是由于車輛在制動(dòng)時(shí)整車軸荷往前端轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其縱向受力比較大。

圖7 為下控制臂橫向轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖。通過(guò)圖7 可以看出，下控制臂的最大應(yīng)力為237.8 MPa，位于下控制臂后點(diǎn)區(qū)域，這是由于車輛在橫向轉(zhuǎn)彎時(shí)整車軸荷往左側(cè)偏移，導(dǎo)致其產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

圖8 為下控制臂垂向跳動(dòng)工況應(yīng)力云圖。通過(guò)觀察圖8 可知，下控制臂的最大應(yīng)力為221.2 MPa，位于下控制臂的內(nèi)側(cè)上端，這是由于車輛在垂向跳動(dòng)時(shí)作用力垂直向下，導(dǎo)致其內(nèi)側(cè)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

綜上所述，下控制臂在3 種極限工況下的最大應(yīng)力均小于材料屈服值，滿足強(qiáng)度性能要求，符合工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化分析方法

通過(guò)下控制臂的模態(tài)性能和強(qiáng)度性能分析可知，其結(jié)構(gòu)特性還有一定的冗余，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p重，以下控制臂的整體厚度值（初始值為8.0 mm）作為設(shè)計(jì)變量，將下擺臂的重量最輕作為目標(biāo)函數(shù)，將其強(qiáng)度最大應(yīng)力小于300 MPa和第一階模態(tài)大于110 Hz 作為約束條件。第二代非劣排序遺傳算法探索性強(qiáng)，計(jì)算效率高，能夠快速獲取最優(yōu)解。因此基于Isight 軟件并且調(diào)用第二代非劣排序遺傳算法[17-18]對(duì)下控制臂的厚度值進(jìn)行自動(dòng)迭代尋優(yōu)，最終得到下控制臂的整體厚度最優(yōu)為7.2 mm。

3.2 優(yōu)化分析結(jié)果

圖9 為優(yōu)化之后下控制臂第一階振型。由圖9可知，優(yōu)化之后下控制臂第一階模態(tài)頻率為110.5Hz，符合動(dòng)態(tài)性能要求，其振型同樣表征為彎曲，后點(diǎn)振幅較大，最大變形為54.1 mm。與此同時(shí)，優(yōu)化之后下控制臂第二、三階模態(tài)頻率分別為149.5 Hz和184.6 Hz。

圖10 為優(yōu)化之后下控制臂縱向制動(dòng)工況的應(yīng)力云圖。通過(guò)觀察圖10 可知，優(yōu)化之后，下控制臂的最大應(yīng)力達(dá)到了294.5 MPa，低于材料屈服值，符合強(qiáng)度特性要求。表1 為優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比，由表1 可知，下控制臂的重量降低至1.4 kg，達(dá)到了12.5%的輕量化，優(yōu)化效果比較明顯。優(yōu)化之后下控制臂的前三階模態(tài)頻率有所降低，強(qiáng)度應(yīng)力有所增大，但仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1）采用有限元方法并且基于Hypermesh 軟件建立下控制臂網(wǎng)格模型，采用Nastran 軟件對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)仿真，其前三階固有頻率分別為115.3，159.0 Hz和198.7 Hz，符合振動(dòng)特性要求。

2）基于前懸架多體動(dòng)力學(xué)模型提取下擺臂外聯(lián)點(diǎn)的力和扭矩，對(duì)其進(jìn)行極限強(qiáng)度性能仿真，得到其在縱向制動(dòng)、橫向轉(zhuǎn)彎和垂向跳動(dòng)工況時(shí)的最大應(yīng)力分別為260.8，237.8 MPa和221.2 MPa，均小于材料屈服值，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3）采用第二代非劣排序遺傳算法對(duì)下控制臂的厚度值進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終得到下控制臂的整體厚度最優(yōu)為7.2 mm。并且下控制臂的重量減輕12.5%，在兼顧滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下達(dá)到了輕量化的目的。

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通信作者：游永忠（1969—），男，講師，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸設(shè)備。E-mail：1493779073@qq.com。

（責(zé)任編輯：龔凱，李根）

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ200647）