楊勁飛，韋榮興，覃家騰，陳德深

（廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

底盤是汽車的重要基礎(chǔ)零件，在汽車日常行駛過程中，承受著來自路面各種復(fù)雜載荷的直接沖擊作用，底盤設(shè)計(jì)問題在汽車企業(yè)開發(fā)中較為關(guān)鍵。汽車技術(shù)的發(fā)展，輕量化技術(shù)日漸被重視，車身更輕不僅能夠減少汽車對(duì)有害氣體的排放，還能對(duì)汽車的整體性能提升有重要的影響[1]。

底盤是集成了汽車下控制臂、彈簧、減振器、副車架等重要零件，零件種類較多，采用有限元仿真方式，對(duì)零件提出輕量化方案，總和起來則能對(duì)汽車底盤進(jìn)行較大的減重。本次案例是根據(jù)零件結(jié)構(gòu)考慮，對(duì)在Adams 懸架模型中提取的所有工況進(jìn)行分析評(píng)估，挑出最為惡劣的一組工況作為拓?fù)鋬?yōu)化仿真輸入，為零件設(shè)定合理的響應(yīng)及目標(biāo)參數(shù)，對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)浞抡嬗?jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出合理的減重措施。

1 輕量化措施

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)可以從三個(gè)方面進(jìn)行考慮：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、工藝選擇。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

零件在滿足最初設(shè)計(jì)功能，保證其連接、安裝、性能合格的情況下，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，在考慮滿足空間布置及結(jié)構(gòu)基本外形情況下，可以通過改變零件橫截面尺寸、零件局部外貌的方式，增加或減少材料，在零件受力較為集中的區(qū)域布置較多的材料，在受力較小的區(qū)域適當(dāng)減少材料分布，從而達(dá)到材料更加合理分布，零件更加輕盈的目的。通過改變零件結(jié)構(gòu)的方式來達(dá)到輕量化的目的，是目前汽車企業(yè)開發(fā)過程中使用的較為普遍的方法。

1.2 材料設(shè)計(jì)

隨著材料研發(fā)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，更多的汽車輕量化材料被研發(fā)并推廣到汽車制造中使用。其中較為常見的有抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度極高的超強(qiáng)鋼材，超強(qiáng)鋼材在汽車整體框架搭建上使用較為常見。密度僅有普通鋼材1/3 的鋁合金材料，鋁合金材料在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、控制臂、壓縮機(jī)支架等零件中使用得較為普遍；另外還有密度僅為普通鋼材1/4，但彈性模量較高的鎂合金材料，該中材料在較多車型中被應(yīng)用到方向盤設(shè)計(jì)上[2]。除此以外，還有其他的碳纖維復(fù)合材料等。在零件設(shè)計(jì)前期，合理定位零件材料，在零件重量上能夠起到較好的減重作用。

1.3 工藝選擇

汽車是由許多不同零件連接形成的整體。零件與零件之間需要通過焊點(diǎn)、粘膠、熱熔自攻釘、鉚接等不同工藝連接方式進(jìn)行連接，不同的連接工藝在汽車零部件連接中所產(chǎn)生的重量有著重大差別[3]。在企業(yè)研發(fā)期間，要對(duì)零件連接工藝做嚴(yán)格的分析評(píng)估，在能滿足性能的前提下，選用對(duì)整車減重有較好效果的連接工藝方式。

2 下擺臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)問題

某企業(yè)在研發(fā)某款新型車時(shí)，對(duì)汽車整備質(zhì)量提出了嚴(yán)格的目標(biāo)，需在開發(fā)期間對(duì)各零件進(jìn)行較好的輕量化考慮。汽車開發(fā)涉及的零件較多，如能對(duì)每個(gè)零件都能進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，則會(huì)在后期造車時(shí)，降低整車重量，節(jié)約較多材料。以下為底盤下控制臂零件初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如下圖2。為響應(yīng)企業(yè)開發(fā)的輕量化思想，在目前下控制臂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，驗(yàn)證開孔位置的準(zhǔn)確性同時(shí)，對(duì)下控制臂提出更進(jìn)一步的輕量化方案。下控制臂為鋁合金材料，抗拉極限320MPa，重量3.3Kg。

圖1 下控制臂初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 有限元仿真思路

對(duì)下控制臂進(jìn)行有限元建模，挑選最為惡劣的一組工況，在下控制臂受力點(diǎn)位置加載。因后期校核中涉及到下擺臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能評(píng)估，在拓?fù)淠Ｐ蛥?shù)設(shè)置中，以應(yīng)變能、體積作為響應(yīng)參數(shù)設(shè)置；零件體積作為約束條件；應(yīng)變能參數(shù)作為目標(biāo)控制參數(shù)。

下控制臂作為底盤零件，各受力點(diǎn)的載荷可以通過建立Adams 懸架模型進(jìn)行提取。多體懸架模型的建立需要知道開發(fā)車型的質(zhì)量、彈簧剛度參數(shù)、襯套剛度參數(shù)、主銷參數(shù)等。多體動(dòng)力學(xué)懸架模型中的穩(wěn)定桿或扭梁等，因考慮到其會(huì)進(jìn)行大范圍的運(yùn)動(dòng)以及發(fā)生彈性變形的情況，需要為其進(jìn)行柔性體建模[4]。在建立好多體模型后，需對(duì)多體模型進(jìn)行準(zhǔn)確性分析評(píng)估，之后才能對(duì)多體模型進(jìn)行靜態(tài)加載仿真，提取關(guān)鍵硬點(diǎn)載荷。

4 下擺臂拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)前文思路，使用有限元軟件對(duì)下控制臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)原始三處開孔位置進(jìn)行填充，目的為驗(yàn)證開孔位置的準(zhǔn)確性做準(zhǔn)備。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下控制臂網(wǎng)格尺寸大小為3mm，單元類型為四面體網(wǎng)格。下控制臂三個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)為：下控制臂前點(diǎn)、下控制臂后點(diǎn)、下控制臂外點(diǎn)。在該三處位置建立連接單元，并加載在多體動(dòng)力學(xué)懸架模型中提取出來的最為極限的一組載荷工況。建立好的模型如下圖2：

圖2 下控制臂有限元模型圖

OptiStruct 軟件是拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析較為常用的工具，在下控制臂有限元模型完成加載及參數(shù)設(shè)置后，運(yùn)行軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以知道，下控制臂初始結(jié)構(gòu)開孔位置與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建議開孔位置基本一致，如下圖3：

圖3 控制臂拓?fù)淠Ｐ蛯?duì)比圖

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還可以結(jié)合下控制臂各段截面尺寸進(jìn)行分析評(píng)估，進(jìn)一步提出更加合理的減重方案一，控制臂A-A 截面可以將厚度由10.5mm 減薄到9mm；D-D 截面可以將厚度從16.5mm 減薄到9mm，方案一重量3.0Kg。詳細(xì)如下圖4：

圖4 控制臂截面優(yōu)化圖

5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校核

汽車零件設(shè)計(jì)，需要考慮零件強(qiáng)度性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。在對(duì)結(jié)構(gòu)提出輕量化方案后，為了防止后期因零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足造成開裂問題，需對(duì)下控制臂初始結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化方案一兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度仿真校核。根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，下控制臂原設(shè)計(jì)狀態(tài)最大應(yīng)力為251MPa，應(yīng)力集中點(diǎn)在臂邊緣位置；根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到的方案一結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為300MPa，應(yīng)力集中點(diǎn)在下控制臂前點(diǎn)附近。根據(jù)企業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，下控制臂在極限工況下應(yīng)力需小于材料抗拉極限視為滿足要求。

該下控制臂為鋁合金材料，抗拉極限為320MPa，根據(jù)前文提及的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，方案一最大應(yīng)力300MPa＜320MPa，且在最為極限工況下還有一定的安全裕度，方案一能在原基礎(chǔ)上將重量從3.3Kg 減少到3.0Kg，減重10%，建議采用輕量化方案。

圖5 控制臂應(yīng)力云圖對(duì)比

6 結(jié)論

（1）通過有限元仿真軟件，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浞抡嬗?jì)算，參考拓?fù)浞抡嬗?jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可以使材料較好使用到關(guān)鍵位置，避免材料在設(shè)計(jì)上的盲目浪費(fèi)。

（2）有限元仿真在建模過程中往往需要對(duì)模型進(jìn)行一定的簡化，多體動(dòng)力學(xué)模型的建立以及提載過程也會(huì)帶來一定的誤差，因此整個(gè)仿真流程很難做到與實(shí)際完全一致。

（3）通過拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)云圖進(jìn)行分析，結(jié)合下控制臂不同位置的截面尺寸設(shè)計(jì)研究，可以得出合理的減重設(shè)計(jì)思路，在下控制臂在滿足性能目標(biāo)基礎(chǔ)上，將質(zhì)量減少10%。本文思路可以為拓展與其他零件以及其他車型的輕量化提案中，為后續(xù)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒性經(jīng)驗(yàn)。