汽車碳纖維復(fù)合材料控制臂輕量化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

解 瑩，郭永奇，何慶時(shí)，鄒 銳

汽車碳纖維復(fù)合材料控制臂輕量化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

解 瑩，郭永奇*，何慶時(shí)，鄒 銳

（營口理工學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 營口 115014）

為了有效利用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)特性，采用碳纖維復(fù)合材料對某汽車控制臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。首先建立了原鋼質(zhì)控制臂有限元模型，通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，并對鋼質(zhì)控制臂進(jìn)行了剛度分析和強(qiáng)度分析。然后基于鋼質(zhì)控制臂幾何特征進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料控制臂幾何重構(gòu)，考慮其質(zhì)量、振動特性、剛度、強(qiáng)度和工藝約束等，對碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層次序優(yōu)化，獲得了最佳碳纖維復(fù)合材料鋪層形狀、厚度和鋪層順序。最后通過與原鋼質(zhì)控制臂性能對比可知，控制臂縱向剛度和側(cè)向剛度分別增加了13.6%和1.4%，同時(shí)強(qiáng)度和振動特征均大幅提升，質(zhì)量降低了63.7%，取得了顯著的輕量化效果。

控制臂；碳纖維復(fù)合材料；尺寸優(yōu)化；鋪層次序優(yōu)化；輕量化

汽車輕量化是節(jié)能減排的必然需求，也是汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。碳纖維復(fù)合材料作為新型輕量化材料，具有密度小，比剛度、比模量大，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于電動汽車結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。蔣榮超等[4]使用碳纖維復(fù)合材料對扭轉(zhuǎn)梁懸架中的鋼制橫梁進(jìn)行替換，并通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對橫梁截面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終取得了顯著的輕量化效果。HARTMANN等[5]將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于電池箱結(jié)構(gòu)，以改善其振動和剛度性能。馬芳武等[6]研究了碳纖維復(fù)合材料B柱，在保證其各項(xiàng)性能的前提下，減輕了B柱加強(qiáng)板的質(zhì)量。LIU等[7]設(shè)計(jì)開發(fā)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠構(gòu)件，以滿足碰撞安全性和輕量化要求。綜上所述，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車身構(gòu)件較多，在底盤關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的應(yīng)用還不夠充分。

控制臂是汽車底盤的重要零部件，直接影響懸架系統(tǒng)的性能，關(guān)乎汽車的操穩(wěn)性和舒適性。在控制臂輕量化設(shè)計(jì)過程中，保證其結(jié)構(gòu)性能尤為重要，因此，國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了相關(guān)研究。蔣榮超等[8]基于灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料控制臂鋪層參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)提高其控制臂結(jié)構(gòu)性能。楊紹勇等[9]探究了基于鋪層設(shè)計(jì)特性的復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，并以控制臂為例進(jìn)行其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)相比較驗(yàn)證其方法的可行性。KIM等[10]基于微種群遺傳算法探究了不同鋪層順序?qū)μ祭w維復(fù)合材料控制臂屈服性能和剛度性能的影響。劉越等[11]結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對基于等剛度原理設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，與原鋼質(zhì)控制臂相比較，所設(shè)計(jì)的輕量化碳纖維復(fù)合材料控制臂滿足其目標(biāo)。

本文以控制臂為研究對象，綜合考慮工藝和鋪層設(shè)計(jì)要求，對碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，在保證性能目標(biāo)的同時(shí)，得到最佳的控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后通過與原鋼質(zhì)控制臂各項(xiàng)性能對比分析，驗(yàn)證其輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

1 原鋼質(zhì)控制臂有限元分析

1.1 原鋼質(zhì)控制臂有限元模型

原鋼質(zhì)控制臂是由上、下連接板以及周邊連接板和襯套焊接而成，利用球鉸（外點(diǎn)）與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，通過襯套（前點(diǎn)和后點(diǎn)）連接在副車架上。將懸架控制臂經(jīng)過幾何簡化、幾何清理和抽取中面等，采用5 mm的2D單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。焊接部分采用共節(jié)點(diǎn)處理，與轉(zhuǎn)向節(jié)和副車架連接點(diǎn)到控制臂本體之間采用RBE2剛性單元連接，最終有限元模型如圖1所示。

圖1 原鋼質(zhì)控制臂有限元模型

通過賦予其材料屬性，對鋼質(zhì)控制臂有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)仿真，得到其固有頻率。采用力錘激勵(lì)方式進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，使用橡皮繩將其懸吊來模擬其自由邊界條件，并在其上布置測試點(diǎn)以獲取其幾何輪廓，試驗(yàn)布置形式如圖2所示。得到的固有頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過對比可知，二者基本一致，模態(tài)振型基本吻合，說明所建立的有限元模型滿足工程分析需要。

圖2 原鋼質(zhì)控制臂自由模態(tài)試驗(yàn)布置圖

表1 鋼質(zhì)控制臂自由模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

模態(tài)階數(shù)固有頻率/Hz相對誤差/% 仿真試驗(yàn) 1339.6345.51.7 2576.8582.51.0 3670.5657.22.0 4876.7851.03.0 5962.2964.50.2 61 144.31 138.00.6

1.2 原鋼質(zhì)控制臂剛度分析

控制臂是連接車輪與車身的關(guān)鍵零部件，在汽車直線運(yùn)動過程中主要承受縱向力，在轉(zhuǎn)彎過程中主要承受側(cè)向力，因此，其縱向剛度和側(cè)向剛度可作為性能分析的評價(jià)指標(biāo)。在對控制臂進(jìn)行剛度分析時(shí)，添加約束條件如圖3所示，約束類型設(shè)置為單點(diǎn)約束（Single Point Constraint, SPC），分別在控制臂外點(diǎn)施加沿和方向1 000 N載荷，考察外點(diǎn)在兩個(gè)方向的最大變形量，以計(jì)算其縱向剛度和側(cè)向剛度，分析結(jié)果如表2所示。

圖3 原鋼質(zhì)控制臂剛度分析邊界條件

表2 鋼質(zhì)控制臂剛度分析結(jié)果

剛度方向剛度/(N·mm-1) 縱向（X向）2 426 側(cè)向（Y向）74 405

1.3 原鋼質(zhì)控制臂強(qiáng)度分析

汽車在行駛過程中，懸架控制臂相對于車身并非靜止?fàn)顟B(tài)，而是繞著前、后點(diǎn)安裝位置的連線上下擺動[12]。如果控制臂與車身安裝點(diǎn)采用固定約束，約束點(diǎn)的反力會影響控制臂強(qiáng)度分析結(jié)果。為了有效解決該問題，采用慣性釋放的方法對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。在進(jìn)行慣性釋放分析時(shí)，將控制臂的外點(diǎn)設(shè)置為“虛支座”，即約束該節(jié)點(diǎn)的全部自由度，約束類型設(shè)為SUPPORT1[13]。

懸架控制臂受力情況較為復(fù)雜，通過多體動力學(xué)仿真計(jì)算獲取汽車在前加速、前制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等4種工況下的受力載荷，控制臂在不同工況下各連接點(diǎn)受力載荷如表3所示。

通過有限元強(qiáng)度分析可知，前制動工況下的最大應(yīng)力為472 MPa，其應(yīng)力分布如圖4所示。其余三種工況最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于前制動工況，前加速工況和右轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)力均小于左轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)力。因而，在后續(xù)碳纖維復(fù)合材料控制臂優(yōu)化分析時(shí)需特別注意前制動工況。

表3 鋼質(zhì)控制臂載荷條件 單位：N

安裝位置載荷前加速前制動左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn) FX-4 81410 168281-3 122 外點(diǎn)FY541-475-1 4156 045 FZ-261612138-630 FX1 038-1 765-38412 前點(diǎn)FY-6 36612 7791 764-9 834 FZ568-1 062-133817 FX3 777-8 405-2432 710 后點(diǎn)FY5 823-12 307-3483 784 FZ-27947723-159

圖4 前制動工況下原控制臂應(yīng)力云圖

2 碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于原鋼質(zhì)焊接型控制臂組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)考慮到碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，將在保持原有安裝方式和位置的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行幾何重構(gòu)。首先以原控制臂結(jié)構(gòu)外輪廓為邊界構(gòu)成封閉幾何，然后創(chuàng)建U型截面單層板結(jié)構(gòu)外形[14]，幾何重構(gòu)過程如圖5所示。

圖5 控制臂幾何重構(gòu)過程

基于OptiStruct對重構(gòu)的控制臂幾何模型進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用T300/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其基本性能如表4所示。依次經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化獲得最佳的碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)。

表4 碳纖維復(fù)合材料基本性能

參數(shù)密度/(kg·m-3)縱向彈性模量/GPa橫向彈性模量/GPa泊松比面內(nèi)剪切模量/GPa縱向拉伸強(qiáng)度/MPa縱向壓縮強(qiáng)度/MPa橫向拉伸強(qiáng)度/MPa橫向壓縮強(qiáng)度/MPa面內(nèi)剪切強(qiáng)度/MPa 參數(shù)值1 60018110.30.287.171 3471 22768.911291

2.1 自由尺寸優(yōu)化

自由尺寸優(yōu)化屬于概念設(shè)計(jì)階段，即將不同鋪設(shè)角度視為不同的超級層，每一鋪設(shè)角度的超級層系統(tǒng)默認(rèn)均有4個(gè)疊加層組，從而實(shí)現(xiàn)超級層厚度可連續(xù)變化。超級層設(shè)為45°、-45°、0°、90°四種角度，通過Symmetric Smear方式模擬鋪層形式，實(shí)現(xiàn)對稱鋪設(shè)且忽略鋪層順序?qū)?fù)合材料力學(xué)性能的影響。在自由尺寸優(yōu)化階段，還需要設(shè)置制造約束，例如每一鋪設(shè)角度在總厚度中的百分比、層壓板的總厚度等[15]。初步設(shè)定超級層總厚度為16 mm，即4個(gè)鋪層角度的超級層厚度均為4 mm，自由尺寸優(yōu)化問題具體設(shè)置如下：

1）設(shè)計(jì)變量：每個(gè)單元的超級層厚度；2）目標(biāo)：縱向剛度和側(cè)向剛度加權(quán)柔度最?。?）約束：一階固有頻率≥220 Hz；45°和-45°鋪層形狀和厚度保持一致；每一超級層鋪設(shè)角度所占比例為10%～60%。

經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化后得到各角度鋪層最優(yōu)形狀，即不同鋪設(shè)角度超級層厚度的分布，如圖6－圖8所示，其中鋪層角度±45°的厚度分布云圖相同。

圖6 超級層角度0°的厚度分布

圖7 鋪層角度±45°的厚度分布

圖8 鋪層角度90°的厚度分布

2.2 尺寸優(yōu)化

經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化確定了控制臂各鋪層角度的不規(guī)則厚度分布，每一鋪層角度均由4種不同形狀組成。為了確定不同鋪層角度各鋪層形狀厚度，對各不同鋪層角度的鋪層厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，具體設(shè)置如下：

1）設(shè)計(jì)變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標(biāo)：質(zhì)量最小；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度為45°和-45°；層形狀和厚度保持一致；可制造的每一鋪層厚度為0.25 mm；縱向剛度＞2 500 N.mm-1；側(cè)向剛度＞50 000 N.mm-1。

通過自由尺寸優(yōu)化確定了最終總厚度為 15.5 mm，其中各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度結(jié)果如表5所示。

表5 各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度

鋪層厚度/mm ±45°-11.0 ±45°-20.5 ±45°-31.5 ±45°-41.0 0°-11.0 0°-20.5 0°-31.0 0°-41.0 90°-11.0 90°-20.5 90°-31.0 90°-41.5

2.3 鋪層順序優(yōu)化

碳纖維復(fù)合材料具有明顯的各向異性，不同的鋪層順序?qū)ζ湫阅苡绊懖煌?，通過鋪層順序優(yōu)化來提升控制臂的各項(xiàng)性能，根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行鋪層順序優(yōu)化，具體設(shè)置如下：

1）設(shè)計(jì)變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標(biāo)：縱向剛度和側(cè)向剛度加權(quán)柔度最?。▌偠茸畲螅?；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度-45°和45°成對出現(xiàn)；同一鋪層角度連續(xù)鋪設(shè)不超過2層；強(qiáng)度各工況最大應(yīng)力≤460 MPa。

最終確定碳纖維復(fù)合材料控制臂按照不同形狀鋪設(shè)的層合板表示為[(±45°/90°/0°)6/(±45°/90°)2]s，其中s表示對稱。

3 對比分析

通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化獲得了最佳的碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)，相比于最初鋼結(jié)構(gòu)控制質(zhì)量3.75 kg降低到了1.36 kg，控制臂質(zhì)量降低了63.7%，實(shí)現(xiàn)了汽車控制臂的輕量化設(shè)計(jì)。通過有限元分析獲得四種工況下碳纖維復(fù)合材料控制臂的應(yīng)力分布，其中前制動工況應(yīng)力最大，如圖9所示?？梢钥闯?，前制動工況最大應(yīng)力值為162 MPa，相比于鋼質(zhì)控制臂強(qiáng)度得到大幅提升。

圖9 前制動工況應(yīng)力分布云圖

設(shè)計(jì)優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料控制臂側(cè)向剛度和縱向剛度位移分布如圖10所示，外點(diǎn)和方向位移分別為0.363 mm、0.013 26 mm，從而確定其縱向剛度和側(cè)向剛度分別為2 755N.mm-1、 75 415 N.mm-1，相比原鋼質(zhì)控制臂縱向剛度和側(cè)向剛度分別增加了13.6%和1.4%，可以看出側(cè)向剛度基本不變。

圖11 碳纖維復(fù)合材料控制臂一階振型云圖

此外，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料控制臂固有頻率較原鋼質(zhì)控制臂均有所提升，改善了其振動特性。其中，碳纖維復(fù)合材料控制臂一階模態(tài)振型云圖如圖11所示，一階固有頻率為506.7 Hz，相比于原鋼質(zhì)控制臂提高了33%。

4 結(jié)語

本文以原鋼質(zhì)控制臂為基礎(chǔ)，進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料控制臂的輕量化設(shè)計(jì)，并通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化相結(jié)合的方法對碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最佳的控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后通過與原鋼質(zhì)控制臂的各項(xiàng)性能結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證其輕量化設(shè)計(jì)的可行性?？紤]到碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)特性，對原鋼質(zhì)控制臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得控制臂質(zhì)量相比于原鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)降低了63.7%?；贠ptistruct的復(fù)合材料優(yōu)化三部曲，獲取了滿足各項(xiàng)性能的碳纖維控制臂結(jié)構(gòu)的鋪層形狀、鋪層厚度和鋪層順序。通過性能對比分析，碳纖維復(fù)合材料控制臂的強(qiáng)度、剛度及振動特性均有顯著提升，為汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)提供了參考。

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Lightweight Design and Verification of Automobile Carbon Fiber Composite Control Arm

XIE Ying, GUO Yongqi*, HE Qingshi, ZOU Rui

( School of Mechanical and Power Engineering, Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China )

In order to effectively utilize the excellent mechanical properties of carbon fiber composites, the lightweight design of an automobile control arm is carried out by using carbon fiber composite material. Firstly, the finite element model of the original steel control arm is established, and its accuracy is verified through modal experiments,and the stiffness and strength analysis of the steel control arm are carried out.Then, based on the geometric characteristics of the steel control arm, the geometric reconstruction is carried out for the carbon fiber composite control arm,and considering the mass, vibration characteristics, stiffness, strength and process constraints, the optimization design of them are carried out by free size optimization, size optimization and laying sequence optimization, and the optimal carbon fiber composite with layer shape, thickness and layering sequence is obtained.Finally, by comparing with the performance of the original steel control arm,it is concluded that the longitudinal stiffness and lateral stiffness of the control arm increase by 13.6% and 1.4% respectively.Meanwhile, the strength and vibration characteristics are greatly improved, and the weight is reduced by 63.7%, achieving a significant lightweight effect.

Control arm; Carbon fiber composite; Size optimization; Laying sequence optimization; Lightweight

U463.33；TQ327.3

A

1671-7988(2023)18-130-06

解瑩（1989－），女，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與有限元分析，E-mail:247861112@qq.com。

郭永奇（1988－），男，碩士，講師，研究方向?yàn)槠囕p量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，E-mail:547130063@qq.com。

營口理工學(xué)院校級科研項(xiàng)目（YBL202122）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.025