基于鑄鋁工藝的懸架下控制臂可變壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)

林涌周，谷玉川，王仲宜

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

基于鑄鋁工藝的懸架下控制臂可變壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)

林涌周，谷玉川，王仲宜

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

以采用鑄鋁工藝成型的汽車懸架下控制臂為研究對(duì)象，基于OptiStruct尺寸優(yōu)化與CATIA曲面建構(gòu)方法，開展可變壁厚懸架下控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性與可靠性，實(shí)現(xiàn)下控制臂的輕量化設(shè)計(jì)。本文提出的可變壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為汽車其它零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

鑄鋁工藝；下控制臂；可變壁厚；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著國(guó)家和行業(yè)對(duì)汽車節(jié)能減排的日益重視［1］，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為國(guó)內(nèi)外汽車制造商的關(guān)注熱點(diǎn)與研發(fā)趨勢(shì)。鑄鋁作為汽車工業(yè)新興的工藝方法，在汽車懸架結(jié)構(gòu)件的開發(fā)應(yīng)用中輕量化效果顯著，具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ?-3］。本文以某車型懸架后下控制臂為研究對(duì)象，將成型工藝由鋼板沖焊改為鑄鋁成型進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，基于OptiStruct尺寸優(yōu)化與CATIA曲面建構(gòu)方法［4-6］，開展可變壁厚的懸架控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性與可靠性，實(shí)現(xiàn)控制臂的輕量化設(shè)計(jì)。

1　原始方案強(qiáng)度分析

1.1有限元模型建立

懸架控制臂原始方案采用鋼板沖焊成型，結(jié)構(gòu)包括控制臂本體，安裝套管和前、后襯套四部分。其中安裝套管兩側(cè)分別與豎拉桿和后軸節(jié)連接（如圖1所示），前襯套連接車身，后襯套與后副車架相連接?？刂票郾倔w采用QSTE380制成，材料屈服強(qiáng)度為380 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

將控制臂數(shù)模以STEP格式導(dǎo)入OptiStruct軟件中開展有限元仿真，采用殼單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。綜合考慮控制臂最小特征尺寸和模型計(jì)算效率，網(wǎng)格單元的最小尺寸設(shè)置為2 mm，網(wǎng)格劃分得到的模型含單元總數(shù)為22 447個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為22 296個(gè)。

根據(jù)控制臂載荷加載形式，對(duì)控制臂前、后襯套施加固定約束，豎拉桿連接點(diǎn)約束垂直自由度，在后軸節(jié)安裝點(diǎn)處施加節(jié)點(diǎn)載荷。載荷邊界條件的定義如圖2所示。

1.2典型工況下的強(qiáng)度校核

根據(jù)開發(fā)車型懸架系統(tǒng)方案，選擇典型載荷工況開展控制臂強(qiáng)度校核，包括轉(zhuǎn)向、起步、前進(jìn)制動(dòng)和倒車制動(dòng)四種工況。通過(guò)建立懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，獲得上述典型工況下控制臂加載點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)載荷，如表1所示。

表1　典型行車工況控制臂節(jié)點(diǎn)載荷表

對(duì)各典型工況下模型的應(yīng)力進(jìn)行有限元求解，獲得各工況下控制臂的應(yīng)力云圖。從各應(yīng)力云圖可以看到，轉(zhuǎn)向工況的最大應(yīng)力為88 MPa，起步工況的最大應(yīng)力為188 MPa，前進(jìn)制動(dòng)工況的最大應(yīng)力為130 MPa，倒車制動(dòng)工況的最大應(yīng)力為321 MPa，即控制臂在倒車制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為321 MPa，其他工況下的最大應(yīng)力均小于200 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限380 MPa，控制臂結(jié)構(gòu)存在輕量化空間。

2　鑄鋁方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1幾何模型建構(gòu)及尺寸優(yōu)化

選用鑄鋁工藝開發(fā)控制臂，需要根據(jù)特定工藝要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。為了保證空間布置和運(yùn)動(dòng)間隙要求，保留控制臂的外表面作為鑄鋁方案的輪廓面；簡(jiǎn)化安裝套管和前后襯套的焊接結(jié)構(gòu)，與本體整體鑄造成型。在CATIA軟件中，對(duì)原始方案數(shù)模進(jìn)行特征提取和曲面構(gòu)建，獲得控制臂鑄鋁方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

鑄鋁方案選用了“外模具+砂芯”的方式進(jìn)行制造，通過(guò)外模具控制外表面，通過(guò)砂芯設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)面厚度，實(shí)現(xiàn)了控制臂本體變壁厚設(shè)計(jì)的可能性與可優(yōu)化性。為了有效減少結(jié)構(gòu)的材料冗余，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)與成本控制的目標(biāo)，針對(duì)控制臂的上下表面和側(cè)面壁厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

根據(jù)原始方案典型工況的強(qiáng)度校核結(jié)果，控制臂的上下表面、本體套管和襯套處應(yīng)力分布均勻，結(jié)合載荷分布和工藝控制要求，均采用單一厚度處理。側(cè)面在不同工況下均出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，因此，可以通過(guò)變壁厚的方式進(jìn)行優(yōu)化，將控制臂側(cè)面分別進(jìn)行等長(zhǎng)度分段，并對(duì)每個(gè)單獨(dú)分段進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

控制臂鑄造鋁方案的結(jié)構(gòu)及控制臂側(cè)面分段優(yōu)化方案圖如圖3所示。

在OptiStruct軟件中完成尺寸優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，其中優(yōu)化17個(gè)尺寸變量的初始值和上下限如表2所示。響應(yīng)參數(shù)為單元Von-Mises應(yīng)力值，約束條件為Von-Mises應(yīng)力值不超過(guò)200 MPa（根據(jù)AlSi7Mg屈服局限240 MPa，取1.2的安全系數(shù)），以最小化結(jié)構(gòu)體積為目標(biāo)函數(shù)，完成控制臂優(yōu)化模型建立并提交運(yùn)算［7-8］。尺寸優(yōu)化模型經(jīng)過(guò)19次迭代計(jì)算后收斂，優(yōu)化后控制臂尺寸參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2　控制臂尺寸參數(shù)范圍及優(yōu)化結(jié)果

2.2曲面建構(gòu)與優(yōu)化方案確定

采用尺寸優(yōu)化獲得的厚度為離散數(shù)值，需要通過(guò)光順處理獲得連續(xù)曲面的控制臂結(jié)構(gòu)。在CATIA曲面建模軟件中，將控制臂各曲面按照優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行曲面偏移（圖4（a）），并通過(guò)橋接、倒角等功能進(jìn)行曲面光順化處理，獲得的控制臂優(yōu)化方案如圖4（b）所示。

對(duì)比鋼板沖焊原始方案與優(yōu)化獲得的鑄鋁方案，鑄鋁工藝控制臂方案重量為2.33 kg，沖焊方案重量為4.95 kg，重量減輕了2.62 kg，輕量化效果顯著。

3　控制臂優(yōu)化方案驗(yàn)證

3.1強(qiáng)度校核

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的可靠性與合理性，分別開展相應(yīng)典型工況的強(qiáng)度校核，獲得原始方案與優(yōu)化方案強(qiáng)度校核結(jié)果對(duì)比，如表3所示。

表3　典型行車工況強(qiáng)度校核對(duì)比

從表3中可看到，在四種典型工況條件下，控制臂單元應(yīng)力均滿足材料屈服極限要求（倒車制動(dòng)工況下最大應(yīng)力181 MPa），且較之原始方案最大應(yīng)力均有不同程度的降低，即下控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2模態(tài)分析

汽車控制臂的固有頻率與懸架系統(tǒng)振動(dòng)特性有直接關(guān)系，需要避開懸架系統(tǒng)的共振區(qū)間。對(duì)于多連桿懸架下控制臂，一般要求自由狀態(tài)1階彈性體固有頻率超過(guò)500 Hz，約束狀態(tài)下1階固有頻率超過(guò)350 Hz［9-10］。通過(guò)對(duì)原始方案與優(yōu)化方案分別開展模態(tài)分析，得到控制臂在自由狀態(tài)下前4階自由模態(tài)與約束模態(tài)結(jié)果，見表4。

表4　控制臂約束模態(tài)結(jié)果

從模態(tài)分析結(jié)果可以看到，控制臂優(yōu)化方案各階模態(tài)較之原始方案都有不同程度的提高，且有效避開了設(shè)計(jì)共振區(qū)，控制臂的優(yōu)化方案在自由狀態(tài)和約束狀態(tài)下均滿足模態(tài)設(shè)計(jì)要求。

3.3臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制臂強(qiáng)度與疲勞耐久性，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，制成樣件開展臺(tái)架試驗(yàn)與裝車試驗(yàn)。其中臺(tái)架試驗(yàn)將車身連接襯套固定，在轉(zhuǎn)向節(jié)安裝中心點(diǎn)加載極限載荷，疲勞耐久試驗(yàn)下控制臂本體未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂或失效；樣件裝車路試，控制臂本體及支架均未出現(xiàn)失效或顯著變形，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文以采用鑄鋁工藝成型的汽車懸架控制臂為研究對(duì)象，基于尺寸優(yōu)化與曲面建構(gòu)方法，開展了可變壁厚的懸架控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)。獲得的優(yōu)化方案重量下降了53%，典型工況強(qiáng)度提高了至少25%，模態(tài)剛度也有不同程度的提高。在保證強(qiáng)度和性能要求的前提下，輕量化效果顯著。本文提出的可變壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為汽車其它零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

［1］李玉青，吳殿杰.汽車輕量化以及鋁鎂鑄件的應(yīng)用［J］.材料工藝，2005，（4）：48-50.

［2］游敏.鑄鋁件造型制芯技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.特種鑄造及有色合金，1997，（3）：44-46.

［3］彭靚，孫文德，錢翰城.壓鑄鋁合金及先進(jìn)的壓鑄技術(shù)［J］.鑄造，2001，50（1）：14-17.

［4］鄧揚(yáng)晨，姬鵬博，樊工勤，等.基于拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的翼肋類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［C］.第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第22分會(huì)場(chǎng)—中國(guó)通用航空發(fā)展研討會(huì)論文集，2011.

［5］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(shè)計(jì)［J］.客車技術(shù)與研究，2013，35（2）：

21-23.

［6］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：159-160.

［7］陸慧葉，馮奇，凌天鈞，等.榮威750FCV后懸架上擺臂的輕量化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27（2）：211-214.

［8］Liu Qiang，Ma Xiaokang，Lin Yongzhou，Zong Zhijian.Topology and Sizing Optimization of Light-weight Frame for Energysaving Vehicle［J］.Advanced Materials Research，2011，308-310：1220-1225.

［9］Moon-Kyun Shin，Jung-Kyu Shine，etc.Structural Analysis and Optimization ofa Low-speed Vehicle Body［C］.Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers，London，2007.

［10］上官文斌，蔣翠翠，潘孝勇.汽車懸架控制臂的拓?fù)鋬?yōu)化與性能計(jì)算［J］.汽車工程，2008，30（8）：709-712.

修改稿日期：2014-11-05

Optim ization Design on Variable Wall-thickness for Low Control Arm of Vehicle Suspension Based on Alum inum Casting Process

Lin Yongzhou，Gu Yuchuan，Wang Zhongyi
（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd，Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640，China）

Based on size optimization in OptiStruct and surface construct in CATIA，the authors take a low control arm ofvehicle suspension using aluminum casting process as the research object，carryout its variable thickness design.They confirm the feasibility and reliability of the optimal method through simulation analysis and vehicle tests，and realize the light weight design for the low control arm of vehicle suspension.The optimization design method of variable wall-thickness proposed in this paper provides a reference for lightweight design of other automotive parts using aluminum casting process.

aluminum castingprocess；low control arm；variable wall-thickness；optimization design

U 463.33；TG 146.2+1

A

1006-3331（2015）03-0008-03

林涌周（1987-），男，碩士；工程師；主要從事底盤懸掛零部件設(shè)計(jì)及CAE分析與優(yōu)化工作。