基于solidThinking Inspire的控制臂優(yōu)化設(shè)計

張 濤

（華晨雷諾金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110044）

前言

控制臂是具有導(dǎo)向和傳力作用的懸架部件。其主要作用是將車輪上各方向的力傳遞給車身，同時還能保證車輪按一定軌跡運動。控制臂分別通過球鉸和襯套把車輪和車身彈性地連接在一起。它的重量和性能參數(shù)對前懸架系統(tǒng)的整體表現(xiàn)有重要影響。

在汽車輕量化普遍受到主機廠重視趨勢下，控制臂的減重工作也顯得尤為重要。文章利用Altair公司的solidThinking Inspire軟件[1]（以下稱為solidThinking軟件）在產(chǎn)品開發(fā)前期進行拓?fù)鋬?yōu)化[2]，在滿足強度性能要求的前提下，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減重。

1 原始設(shè)計

圖1所示為某車型控制臂的原始設(shè)計結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)已充分考慮了控制臂與周邊零件的空間位置關(guān)系，避免了裝配過程和車輛行駛過程中與周邊部件產(chǎn)生干涉。接下來所有在solidThinking軟件中進行的優(yōu)化工作都是基于這個幾何模型。

圖1 控制臂原始幾何模型

2 優(yōu)化流程

整體的優(yōu)化設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程

3 優(yōu)化分析

3.1 定義設(shè)計空間

在開始進行優(yōu)化設(shè)計前，首先定義結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間[3]，由于各安裝孔是用來固定和安裝控制臂的，需要保持位置和形狀基本不變，所以將其定義為非設(shè)計空間，而將控制臂的本體部分定義為設(shè)計空間。

圖3 定義設(shè)計空間

因為原始幾何為一體模型，不能將控制臂本體和安裝孔分別定義，所以在優(yōu)化分析前通過solidThinking軟件參照原始幾何重新設(shè)計了新的安裝孔，使其與控制臂本體互為獨立但保持連接關(guān)系的幾何結(jié)構(gòu)，這一改動對整個結(jié)構(gòu)的強度影響可以忽略不計。

分別完成定義之后，設(shè)計空間的區(qū)域顯示為如圖3所示的紅棕色，非設(shè)計空間仍為灰色。

3.2 創(chuàng)建材料屬性

選取控制臂材料為STEEL（AISI304），材料性能參數(shù)為，楊氏模量 E：1.95×105Mpa；泊松比 Nu：0.29；密度 ρ：8.0×10-9t/mm3；屈服極限 σs：215Mpa。

3.3 創(chuàng)建載荷工況

3.3.1 創(chuàng)建邊界條件

根據(jù)控制臂在實車中的安裝狀態(tài)，對控制臂的副車架前安裝點施加 X、Y、Z三個方向的約束，對控制臂的副車架后安裝點施加Y、Z兩個方向的約束（根據(jù)過往的分析經(jīng)驗，后安裝點放開 X向約束，應(yīng)力計算會更準(zhǔn)確一些），而對控制臂的轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點施加Z方向的約束。

3.3.2 創(chuàng)建工況載荷

控制臂的轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點一般采用球銷結(jié)構(gòu)，所以只受力的作用，而不承受扭矩作用，另外因為施加了Z方向的約束，所以在該點只施加X、Y方向的力。在控制臂的副車架前安裝點，因為約束了所有平動自由度，所以不加載力，只施加扭矩。而在控制臂的副車架后安裝點，因為放開了X向約束，所以在該安裝點，施加X向的作用力和扭矩。

根據(jù)控制臂在車輛實際行駛中的受力情況，選取了如表1所示六個比較典型的強度分析工況。

表1 強度分析工況描述

將六個工況的載荷和約束施加到模型后如圖4所示。

圖4 載荷和約束

3.4 設(shè)置形狀控制

零部件拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果在滿足優(yōu)化目標(biāo)的前提下，有時候會出現(xiàn)現(xiàn)有工藝無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)對于后續(xù)的優(yōu)化工作是沒有意義的。因此，優(yōu)化過程中有必要用到solidThinking軟件的形狀控制模塊。

針對控制臂結(jié)構(gòu)，選擇了雙向拔模。如圖5所示，上下箭頭代表拔模方向為雙向。

圖5 雙向拔模形狀控制

3.5 運行優(yōu)化分析

3.5.1 運行優(yōu)化分析

solidThinking軟件提供了兩種不同的優(yōu)化目標(biāo)，包括最小化質(zhì)量（當(dāng)以最小化質(zhì)量為目標(biāo)優(yōu)化時，載荷幅值對于得到最準(zhǔn)確的結(jié)果來說具有最關(guān)鍵性的作用。除了準(zhǔn)確的載荷幅值，材料的選擇也會起到重要作用。）和最大化剛度（當(dāng)以最大化剛度為目標(biāo)優(yōu)化時，求解器并不注重各個安裝點施加載荷的值，而會更加注重各個安裝點載荷值之間的相對比例。）。

首先將最大化剛度作為優(yōu)化目標(biāo)，質(zhì)量目標(biāo)設(shè)為設(shè)計空間總體的30%，厚度約束設(shè)置為最小30mm，最大60mm，其余選項均為solidThinking軟件默認(rèn)值。

3.5.2 查看優(yōu)化結(jié)果

設(shè)置完成后開始運行求解，當(dāng)運行完成后，優(yōu)化結(jié)果并不一定具有合理的結(jié)構(gòu)。使用如圖6所示形狀探索器，拖動拓?fù)浠瑝K找到最佳形狀（以保證傳力結(jié)構(gòu)的完整性和整個結(jié)構(gòu)的工藝性為原則）。

圖6 形狀探索器

通過調(diào)整拓?fù)浠瑝K后，得到本次優(yōu)化的結(jié)果如圖7所示。

圖7 最大化剛度—30%質(zhì)量目標(biāo)

3.5.3 調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)

因為前文提到過，以剛度為目標(biāo)進行優(yōu)化時，軟件并不注重載荷值，所以得到的較為單薄的優(yōu)化結(jié)果對整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制并不會太好。

接下來將質(zhì)量目標(biāo)調(diào)整到40%，依舊調(diào)整拓?fù)浠瑝K（后文中涉及到的優(yōu)化結(jié)果都是通過調(diào)整拓?fù)浠瑝K得到，后續(xù)不再贅述）得到優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

圖8 最大化剛度—40%質(zhì)量目標(biāo)

繼續(xù)上調(diào)質(zhì)量目標(biāo)到50%，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

圖9 最大化剛度—50%質(zhì)量目標(biāo)

接下來，再以最小化質(zhì)量為目標(biāo)進行優(yōu)化，分別設(shè)置最小安全系數(shù)為1.8、1.5、1.2，得到優(yōu)化結(jié)果如下圖10～12所示。

圖10 最小化質(zhì)量—最小安全系數(shù)1.8

圖11 最小化質(zhì)量—最小 安全系數(shù)1.5

圖12 最小化質(zhì)量—最小安全系數(shù)1.2

結(jié)合原始結(jié)構(gòu)和工藝性考慮，認(rèn)為第三種和第六種拓?fù)浣Y(jié)果是比較合理的優(yōu)化方案。

3.5.4 優(yōu)化結(jié)果幾何重構(gòu)

導(dǎo)出第六種拓?fù)鋷缀文Ｐ?，再基于該拓?fù)鋷缀文Ｐ?，在catia軟件中對原始幾何進行有目的性的開孔重構(gòu)，得到新的控制臂的幾何模型如圖13所示：

圖13 重構(gòu)幾何模型

4 優(yōu)化結(jié)果驗證

圖14 垂直沖擊工況

圖15 轉(zhuǎn)向工況

圖16 后制動工況

圖17 最大制動工況

圖18 最大加速工況

圖19 側(cè)碰工況

接下來通過Hyperworks軟件進行加載計算，對比優(yōu)化前后控制臂各工況的應(yīng)力情況。左為原始結(jié)構(gòu)，右為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)。各工況最大應(yīng)力值如圖14～圖19所示。

詳細(xì)的最大應(yīng)力數(shù)據(jù)對比如圖 20所示。應(yīng)力單位為Mpa。

圖20 優(yōu)化前后應(yīng)力對比

優(yōu)化后，各工況最大應(yīng)力均有一定的增加，其中最大制動工況應(yīng)力增加最多，應(yīng)力值為159Mpa，仍小于材料的屈服極限215Mpa。一般情況下認(rèn)為屈服極限即為許用應(yīng)力[4]，但為確保留有一定的安全余量會用安全系數(shù)來控制許用應(yīng)力的大小。而優(yōu)化后最大制動工況仍有1.35的安全系數(shù)，因此從強度性能和安全系數(shù)角度考慮，優(yōu)化的結(jié)果是滿足需求的。

5 結(jié)論

通過solidThinking軟件的優(yōu)化分析，最終得到了控制臂的一種比較合理的材料分布狀態(tài)。在保證零件力學(xué)性能的同時，控制臂的重量也從最初的7.64kg下降到6.52kg，減重比例達(dá)到 14.6%。減重優(yōu)化效果明顯，對設(shè)計部門有一定的參考價值。