基于HyperWorks 的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)

柳玉升

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院）

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化設(shè)計(jì)開始在汽車發(fā)展中占有重要地位，它既可以提高車輛的動(dòng)力性、降低成本，又能減少能源消耗和污染[1]。新能源汽車受續(xù)航能力、能耗與補(bǔ)貼等因素影響，對(duì)輕量化的要求尤其高。但是，汽車輕量化設(shè)計(jì)卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車質(zhì)量的同時(shí)，也犧牲了車輛的強(qiáng)度和剛度，而轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車懸架中的重要零部件，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度、抗沖擊性能以及可靠性方面都有很高的要求，因此在轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)需考慮轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度性能是否滿足要求[2]。為此文章基于HyperWorks，采用慣性釋放的仿真方法，計(jì)算出垂向工況、前行制動(dòng)工況、倒車制動(dòng)工況等應(yīng)力分布，通過強(qiáng)度分析，圍繞材料、結(jié)構(gòu)和工藝等展開轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)。

1 基礎(chǔ)模型有限元模型建立及分析

轉(zhuǎn)向節(jié)通過襯套及螺栓與車身相連，通過法蘭盤、輪轂與車輪連接，在受不同載荷的工況中，轉(zhuǎn)向節(jié)相對(duì)于車身運(yùn)動(dòng)，它并非處于靜止平衡狀態(tài)，難以得到一個(gè)完全平衡的外載荷力系，在有限元分析中利用約束加載法并不能更真實(shí)地模擬實(shí)際邊界條件，為此可以使用慣性釋放法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行分析[3]。由于整車有限元模型的計(jì)算量太龐大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，因此僅選取轉(zhuǎn)向節(jié)模型與整車相連的各硬點(diǎn)在整車工況下的載荷作為輸入載荷，單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行有限元分析。利用HyperWorks 的OptiStruct 模塊，采用慣性釋放的方法計(jì)算出轉(zhuǎn)向節(jié)承受各工況載荷下的應(yīng)力，各硬點(diǎn)處加載各工況載荷由多體動(dòng)力學(xué)分解得出，選擇剎車、轉(zhuǎn)向、剎車＋轉(zhuǎn)向、垂向等共計(jì)10 個(gè)典型工況[4]，以一款滿載質(zhì)量為2 085 kg 的SUV 為例進(jìn)行分析。

1.1 有限元模型建模

利用HyperMesh 的CAD 模型建立轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型。轉(zhuǎn)向節(jié)采用實(shí)體單元TERTA 4 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，襯套采用CBUSH 單元進(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)向節(jié)上各連接硬點(diǎn)用REB2 單元進(jìn)行連接。整個(gè)有限元模型單元總數(shù)為58 372，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為96 734。采用二階四面體單元[5]。原始結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。有限元模型，如圖2 所示。有限元模型信息，如表1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型圖

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型信息

1.2 材料屬性

計(jì)算中所使用的材料參數(shù)[6]，如表2 所示。

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)材料參數(shù)

1.3 分析工況

為準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度，需要在不同工況下分析轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況。常見的工況類型有通過不平路面的沖擊載荷、緊急制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力、縱向沖擊及在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向沖擊力。在汽車高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)受到路面的各種沖擊是分析時(shí)需要考慮的主要因素。為了能夠?qū)嶋H反映汽車在各種路況中的轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況，選擇垂向、轉(zhuǎn)向、剎車、前沖以及后沖等典型工況進(jìn)行分析。Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別代表向后、向內(nèi)和向上的力，各輪轉(zhuǎn)向節(jié)分析工況，如表3 所示。左前轉(zhuǎn)向節(jié)工況加載，如圖3 所示。

表3 各輪轉(zhuǎn)向節(jié)分析工況 N

圖3 左前轉(zhuǎn)向節(jié)工況加載

1.4 各工況分析結(jié)果

轉(zhuǎn)向節(jié)在各工況下的分析結(jié)果，如表4 所示。在各工況下的應(yīng)力云圖，如圖4 所示。在左轉(zhuǎn)工況和左轉(zhuǎn)制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力分別為380.01 MPa 和309.58 MPa，未超過轉(zhuǎn)向節(jié)材料QT500 的屈服極限405 MPa，且其余工況的最大應(yīng)力為188.63 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，安全系數(shù)較大，因此輕量化可考慮將材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合。

表4 轉(zhuǎn)向節(jié)分析結(jié)果 MPa

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)在不同工況下應(yīng)力云圖顯示界面

2 模型優(yōu)化及分析

2.1 優(yōu)化方案

目前輕量化技術(shù)主要有4 種：新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新方法[7]，由于轉(zhuǎn)向節(jié)模型采用實(shí)體單元建模，其優(yōu)化目的是在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料和最合理的結(jié)構(gòu)分布，所以文章采用新材料和新結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)輕量化。從圖4 可以看出，轉(zhuǎn)向節(jié)整體應(yīng)力較小，遠(yuǎn)小于所使用的鑄鐵材料屈服極限，可見實(shí)現(xiàn)輕量化在材料上仍有調(diào)整的空間，因此可以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上考慮將材料改為鋁合金。結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在螺栓孔、圓角過小及局部過于單薄之處，而有些區(qū)域承受應(yīng)力較小，可以適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)、減薄材料，因此采取以下方案進(jìn)行優(yōu)化：1）將材料由鑄鐵QT500 改為鋁合金6082；2）增加螺栓孔的平面寬度，減小局部應(yīng)力集中；3）將平滑度不足的區(qū)域重構(gòu)模型使過渡平滑；4）在承受應(yīng)力小的橫向拉桿球頭擺臂及仰角位置適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)體積及厚度，并增加拉筋和加大圓角。

按以上方案對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及模型重構(gòu)，優(yōu)化前后模型，如圖5 所示。除局部調(diào)整外，總體模型差別不大，但經(jīng)過材料更換及局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量由5.3 kg 減少至3.1 kg，極大程度實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。鋁合金材料參數(shù)，如表5 所示。

圖5 優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型

表5 鋁合金材料參數(shù)

2.2 優(yōu)化后的分析結(jié)果

優(yōu)化后的應(yīng)力分析，如圖6 所示。優(yōu)化后的最大應(yīng)力為186.96 MPa，小于轉(zhuǎn)向節(jié)材料鋁合金6082 的屈服強(qiáng)度260 MPa，并且滿足安全使用系數(shù)，因此文章通過采用材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的輕量化方案，使轉(zhuǎn)向節(jié)在各工況下滿足強(qiáng)度要求，該方案具有可行性。

圖6 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)不同工況下應(yīng)力云圖顯示界面

3 結(jié)論

采用HyperWorks 的有限元分析技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行建模分析與優(yōu)化后完成輕量化設(shè)計(jì)，可以得出：

1）基于HyperWorks 的慣性釋放方法計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)各工況應(yīng)力，通過改變結(jié)構(gòu)和材料的方式，最終可以得到較為理想的轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化方案。通過文章案例可以清楚地看到優(yōu)化方案質(zhì)量較之前減輕了41.5%，轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量由原先的5.3 kg 減輕到3.1 kg，達(dá)到了期望的優(yōu)化效果。

2）通過該分析實(shí)例，說明基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)分析對(duì)汽車輕量化的研究具有實(shí)際工程運(yùn)用意義，不僅有效實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化，同時(shí)通過優(yōu)化降低應(yīng)力至186.96 MPa，滿足了新材料屈服極限，保證輕量化后轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性，可有效縮短輕量化設(shè)計(jì)周期并指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

3）實(shí)際行車時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)承受的載荷更多為隨機(jī)載荷，需注意疲勞破壞，故后續(xù)有必要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。