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基于刚度拓扑优化算法的悬架摆臂锻造结构设计
乘用车悬架系统是车架与车轮之间的连接装置的总称,其作用是传递车轮和车架之间的力和力矩,并缓冲由不平路面传导至车架或车身的冲击力,同时衰减由此引发的往复振动,以保证汽车的平顺行驶。汽车悬架通常包含弹性元件,减振器和控制臂,这三部分分别起缓冲,减振和传力作用。作为悬架系统关键部件的控制臂,其性能的优劣很大程度上会影响到整车的操控性。根据悬架摆臂的功能,一般要求在结构形式和材料选用上具有良好的稳定性和抗疲劳性能。另外,由于悬架簧下重量与操控性密切相关,所以悬架系统的轻量化是大的趋势。
双横臂式悬架作为一种典型悬架系统,具有横向刚度比较大,操纵稳定性和舒适性能好的优点,重量较小也是其不可忽略的特点。目前,使用铝合金替代钢材是轻量化的主要方向之一,而相对于普通的型材挤压工艺或冲压工艺,锻造工艺可以使铝合金材料具有更高的强度以及更加优良的变形性能,能更好地满足底盘悬架类结构在复杂路况下的抗疲劳性能要求。进一步地,基于制造工艺控制,采用拓扑优化方法,对控制臂结构的轻量化设计是目前的一个重要研究方向。本文采用基于刚度的拓扑优化算法,对某车型双横臂式悬架中的上摆臂进行了锻造铝合金结构轻量化设计。

工程背景

本文选取某一具体车型的悬架摆臂作为优化设计对象,如图1所示,摆臂同时受到左侧和右侧安装点的力和力矩作用,保持平衡状态。对于这类载荷分析类型,一般采用惯性释放法进行求解。

该部件的原始方案为钢板冲压后拼装焊接结构,见图2,该钣金结构的重量为1.12kg,由于环境部件避让问题,该原始结构中在拐角处的应力水平过高,容易导致拐角处焊缝出现疲劳开裂的问题。

出于功能性需要以及轻量化设计的考虑,我们使用铝合金锻造工艺方案来进行摆臂的结构设计,材料牌号为6082-T6,具体的材料特性可见表1所示。一般锻造结构会通过开槽的方式来实现结构的减重,如图3所示,开槽后的摆臂结构重量为0.755kg,与原始钣金结构相比,减重31.36%。

根据基于刚度的拓扑优化流程,在完成模型建立和优化分析设置后,提交计算,我们得到图5所示的材料分布图(红色区代表材料相对密度1.0,蓝色代表相对密度0.0)。从图6可以看到,优化后的结构上,应力水平处于较高水平,这表明结构强度得到了充分地使用。根据优化结果,重新设计得到摆臂的结构模型,如图7所示,该设计在拓扑优化结果的基础上,综合考虑了制造工艺因素,保证了各个部位的轮廓光滑过渡。

拓扑优化设计

为了提升轻量化效果,本文考虑使用基于刚度的拓扑优化方案来进行结构的轻量化设计,然后在拓扑优化结构的基础上完成结构的设计工作,其优化过程可见流程图4所示。

结构强度验证

本节对初始的锻造结构、开槽后的结构以及基于拓扑优化结果设计的摆臂结构进行了强度对比工作,具体如图8~图10所示。从图8可以发现,在未开槽的结构中,应力水平接近于零的区域比较大,除拐角局部因为应力集中外,整体应力水平偏低,材料利用率相当低。图9的常规开槽结构中,整体应力水平有明显提升,材料的利用率较高,且应力极值为320.05MPa,接近材料的屈服强度。在此基础上,拓扑优化设计得到的摆臂结构更加充分地实现了材料的利用,在不增加应力极值的条件下,使代表低应力水平的区域显著减少,极大地实现了结构的减重。

总结

对于无位移约束,引入了惯性释放方法的静力平衡问题,常规的拓扑优化方法往往不适用,本文采用的基于刚度的拓扑优化算法可以很好地避开这个问题。针对该类力、力矩静力平衡的摆臂结构,采用铝合金锻造工艺,并采用相应的拓扑优化算法,我们可以得到一个轻量化程度高,可靠性好,耐疲劳性能优异的结构设计方案,极大地提升了车辆的操控性和安全性。

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