張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

?

車輛控制臂優(yōu)化設計

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

摘要:針對車輛控制臂的強度與疲勞耐久性能,分析了控制臂的優(yōu)化設計思路,借助CAE對車輛控制臂進行了分析和優(yōu)化設計,并采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進行了驗證。結(jié)果表明,采用拓撲迭代方法進行優(yōu)化設計后,控制臂性能得到較大提升,可供車輛懸架系統(tǒng)及其元件優(yōu)化設計參考。

關(guān)鍵詞:汽車;控制臂;拓撲迭代;剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

作為重要的承力部件,車輛懸架上的控制臂不僅承受著整車載荷和輪胎傳遞的路面沖擊載荷,更要保持車輛操控的準確,這就要求控制臂具有足夠的剛度、強度和疲勞壽命。它不僅影響整車的使用壽命和駕乘人員的生命安全,而且作為簧下質(zhì)量,對車輛舒適性會產(chǎn)生很大影響;在嚴苛的路面條件下,甚至會發(fā)生斷裂風險。因此,其結(jié)構(gòu)強度一直是設計研究的重點。該文通過對車輛控制臂結(jié)構(gòu)進行CAE優(yōu)化設計,實現(xiàn)兼顧整車舒適性需求的輕量化情況下的強度和疲勞最優(yōu)化。

1 控制臂優(yōu)化設計方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是一門復雜的多標準、多學科優(yōu)化理論,按其構(gòu)造,結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可分為尺寸優(yōu)化問題、形狀優(yōu)化問題及材料選擇、拓撲優(yōu)化問題三類。拓撲優(yōu)化又稱為布局優(yōu)化,在概念設計階段進行適當拓撲結(jié)構(gòu)選擇非常重要。作為車輛懸架系統(tǒng)的重要零部件,控制臂的優(yōu)化設計更是必備的,其流程如圖1所示。

運用該設計方法,首先建立車輛懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并導入ADAMS/Car中,建立懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。該模型?控制臂作為剛性體進行約束。然后對該模型進行多體動力學分析,獲取懸架控制臂在制動、轉(zhuǎn)向、過減速帶和炮彈坑等極限工況時的載荷。將該載荷放入有限元中,采用慣性釋放的方法進行強度分析,得到控制臂的結(jié)構(gòu)應力分布,確定應力集中的熱點,再利用CAE迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu),最終得到總體性能都較佳的控制臂模型。根據(jù)該模型進行數(shù)據(jù)改進優(yōu)化,利用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進行校核,確認其耐久性能。

圖1 控制臂的優(yōu)化設計流程

2 某車輛控制臂的優(yōu)化設計

在ADAMS/Car中建立該車輛懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?控制臂內(nèi)側(cè)兩點鉸接于副車架上,外側(cè)安裝點球接在轉(zhuǎn)向節(jié)下端,其承受軸頭處車輪傳來的側(cè)向力和縱向力;減振器下端同該控制臂采用球鉸接,承受垂向力;穩(wěn)定桿同該控制臂也采用球鉸接,同樣承受垂向力。同時輸入減振器和安裝襯套的柔性數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖2 車輛懸架系統(tǒng)ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

根據(jù)對試驗場路譜采集數(shù)據(jù)的分析,確定控制臂的標準工況和載荷(如表1所示)。

表1 控制臂的標準工況和載荷

ADAMS依據(jù)標準工況提取控制臂載荷加載到控制臂上各個硬點(如圖3所示)。

圖3 控制臂的各個硬點

通過ADAMS仿真,獲得在垂直4g沖擊工況下控制臂各個硬點處的載荷情況(如表2所示)。

考慮到車輛承載能力和控制臂的受力情況,預期采用B510L高強度熱軋鋼板作為控制臂本體材料,采用沖壓焊接而成,材料厚度選用2.5 mm,其屈服強度可達到355 MPa,許用應力能達到510 MPa。控制臂上各安裝支架則選用SPAH440,材料厚度選用3.0 mm。預測總體重量能滿足整車重量控制要求。各材料的基本屬性如表3所示,應力應變曲線如圖4所示。

表2 垂直4g沖擊工況下控制臂各硬點處載荷情況

表3 控制臂各材料的基本屬性

將以上數(shù)據(jù)代入有限元進行CAE強度分析,對模型不進行約束,采用慣性釋放法進行分析,垂向4g工況下的分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 控制臂各材料的應力應變曲線

圖5 控制臂CAE有限元強度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖5可見:其應力超標較多,而且大部分處于焊接位置。高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接易發(fā)生脆性斷裂,脆性斷裂時的應力遠低于屈服極限,因焊縫易產(chǎn)生微細裂痕,在一定載荷作用下,裂紋急劇擴展導致結(jié)構(gòu)件脆性斷裂。球頭附近應力集中,應是板材變形較為復雜,沖壓成型困難,出現(xiàn)沖壓撕裂等缺陷的可能性大,需作進一步優(yōu)化改進。

采用CAE拓撲迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu),進行壁厚和形狀拓撲優(yōu)化,使局部應力和焊縫應力大幅降低,滿足材料許用強度要求。拓撲優(yōu)化后結(jié)構(gòu)特點如下:1)結(jié)構(gòu)由原上片U形、下片平板改進為上、下片均采用U形結(jié)構(gòu),焊縫由底邊改到側(cè)面中部,避開受力應力集中部位,提高焊縫的疲勞壽命。2)球頭部位簡化復雜形狀為兩體焊接,減少沖壓撕裂風險。3)鋼材的使用厚度由2.5 mm增加到3.0 mm,以提高整體剛度。優(yōu)化后的強度分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)拓撲優(yōu)化后的控制臂CAE有限元強度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖6可見優(yōu)化后應力已降低到389 MPa,但B510L仍不能滿足使用要求。考慮到Qste420高強度熱軋鋼板能滿足該性能要求,其屈服強度能達到420 MPa,最大許用應力達到620 MPa,材料由預期的B510L高強度熱軋鋼板更改為Qste420高強度熱軋鋼板。根據(jù)該受力分析優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖7所示。

對控制臂優(yōu)化后的數(shù)據(jù)采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法,運用nCode疲勞分析軟件進行校核,控制臂本體及其焊點的疲勞耐久受力分布如圖8和圖9所示,疲勞聯(lián)合工況(如表4所示)下的計算結(jié)果如表5所示。

圖7 優(yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)

圖8 控制臂本體在加載循環(huán)次數(shù)＞52萬次時的疲勞壽命(單位:次)

圖9 控制臂上焊點在最小加載循環(huán)次數(shù)＞100萬次時的疲勞壽命(單位:次)

表4 疲勞聯(lián)合工況設置

表5 控制臂本體及其焊點的疲勞聯(lián)合工況分析結(jié)果　萬次

校核結(jié)果顯示,經(jīng)過拓撲優(yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)在疲勞耐久性方面滿足理論設計要求。

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)設計中的焊縫位置選擇對控制臂的性能至關(guān)重要,焊縫微細裂紋在一定條件下易引起脆性斷裂,故焊縫位置應避開應力較大的部位。

(2)采用多體動力學仿真結(jié)合有限元分析進行車輛控制臂優(yōu)化設計,為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種有效方法,可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低試驗成本。該方法也適用于其他復雜的懸架元件優(yōu)化設計。

(3)車輛極限仿真分析工況和控制臂本體CAE疲勞耐久性評價標準為＞20萬次。對于縫焊與焊點的疲勞分析,由于目前理論和CAE建模規(guī)范的局限性,很難準確模擬出真實的壽命及安全因子,分析結(jié)果僅供參考。

參考文獻:

[1]包世華,周堅.薄壁桿件結(jié)構(gòu)力學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

[2]自動車技術(shù)會,小林明.汽車工程手冊(第一分冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1984.

[3]劉永臣,王國林,孫麗.車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預測[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(16).

[4]倪晉挺,張錢斌,王愛國.多連桿后懸架托臂強度分析[J].汽車實用技術(shù),2014(12).

[5]王登峰,黃亞威,秦民,等.轎車懸架控制臂參數(shù)化建模及輕量化多目標優(yōu)化設計[J].設計開發(fā),2015(3).

[6]何小靜,上官文斌.汽車懸架下控制臂的有限元分析[J].噪音與振動控制,2012(6).

[7]廖美穎,谷玉川,王更勝.基于Optistruct的某汽車懸架上控制臂的尺寸優(yōu)化設計[J].客車技術(shù)與研究,2013(2).

[8]羅鑫源,楊世文,楊軍,等.基于ADAMS的雙橫臂懸架的仿真及優(yōu)化[J].公路與汽運,2011(5).

[9]林涌周,谷玉川,王仲宜.基于鑄鋁工藝的懸架下控制臂可變壁厚優(yōu)化設計[J].客車技術(shù)與研究,2015(3).

[10]柳江,喻凡,樓樂明.麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧優(yōu)化設計[J].汽車工程,2006,28(8).

[11]周棟.多連桿懸架控制臂優(yōu)化設計及疲勞壽命研究[D].上海:上海工程技術(shù)大學,2011.

[12]上官文斌,蔣翠翠,潘孝勇.汽車懸架控制臂的拓撲優(yōu)化與性能計算[J].汽車工程,2008,30(8).

[13]祝小元,方宗德,申閃閃,等.汽車懸架控制臂的多目標拓撲優(yōu)化[J].汽車工程,2011,33(2).

收稿日期:2015-12-18

中圖分類號:U463.33

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0007-04