麥弗遜懸架在目前是大多數(shù)中小型轎車前懸架所首選的類型，對(duì)于麥弗遜懸架的下控制臂來說主要在加速、制動(dòng)、過坎是承受縱向力，以及在轉(zhuǎn)向是承受側(cè)向力，對(duì)于垂向力下控制臂只是抵消前后橡膠襯套被扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的一些結(jié)構(gòu)反力，垂向力主要由滑柱彈簧來承受，由于作用在控制臂上的垂向力在數(shù)量級(jí)上遠(yuǎn)小于縱向力及側(cè)向力，所以在校核下控制臂時(shí)通常不考慮垂向力。麥弗遜懸架的受力情況如圖1所示。

　　圖1 優(yōu)化前控制臂模型

　　圖2所示為優(yōu)化前的控制臂，材料為鍛鋼40Cr 為了保證足夠的轉(zhuǎn)彎半徑，控制臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間較小，有應(yīng)力集中區(qū)域如圖3所示。

　　圖2 優(yōu)化前控制臂模型

　　圖3 優(yōu)化前控制臂結(jié)構(gòu)示意

　　新款車型在原有車型基礎(chǔ)之上，加寬了前輪距。也即輪心坐標(biāo)外移，其他硬點(diǎn)不做改動(dòng)，這樣控制臂多出結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間，如圖4比較所示。

　　圖4 控制臂新的設(shè)計(jì)邊界

　　2 有限元模型的建立

　　2.1 建立設(shè)計(jì)邊界

　　根據(jù)布置情況利用CAD軟件建立起設(shè)計(jì)邊界模型，如圖5所示。

　　圖5 新的控制臂拓?fù)鋬?yōu)化邊界

　　2.2 優(yōu)化前處理

　　2.2.1 網(wǎng)格劃分

　　將建立的拓?fù)鋬?yōu)化邊界導(dǎo)入HyperMesh 劃分網(wǎng)格，單元類型采用一階四面體單元，最終網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

　　圖6 劃分網(wǎng)格

　　2.2.2 添加材料

　　創(chuàng)建出各向同性金屬材料，參考手冊(cè)或詢問供應(yīng)商得知其彈性模量及泊松比，如圖7所示。

　　圖7 添加材料

　　2.2.3 設(shè)置屬性

　　劃分優(yōu)化區(qū)域及非設(shè)計(jì)區(qū)域，因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化區(qū)域是由屬性來識(shí)別的，所以通過多個(gè)屬性可區(qū)分設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)區(qū)域，本例中將控制臂前襯套外圈、后襯套芯軸、外球銷點(diǎn)緊固螺栓孔設(shè)置為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其他為設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖8所示。

　　圖8 劃分設(shè)計(jì)、非設(shè)計(jì)區(qū)域

　　2.2.4 連接關(guān)系建立

　　使用RBE2 單元將外球銷點(diǎn)與三個(gè)緊固螺栓孔內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)連接、相同的操作將前后襯套中心點(diǎn)與對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接。

　　2.2.5建立邊界條件

　　麥弗遜懸架控制臂分析時(shí)通常固定前襯套X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)(1、2、3)，后襯套點(diǎn)Y、X方向平動(dòng)(2、3)，外球銷點(diǎn)Z方向平動(dòng)(1)，Loadtype 選擇SPC,結(jié)果如圖9所示(坐標(biāo)系為整車坐標(biāo)系)。

　　圖9建立邊界條件

　　2.2.6 施加載荷

　　根據(jù)已有的整車參數(shù)計(jì)算出制動(dòng)、轉(zhuǎn)向工況時(shí)的縱向、側(cè)向力分成兩個(gè)Load 施加到外球銷點(diǎn)上，如圖10所示。

　　圖10 添加載荷

　　2.2.7建立工況

　　利用上兩步所創(chuàng)建出的邊界條件及載荷分別組合起來創(chuàng)建出制動(dòng)、轉(zhuǎn)向兩種工況，表1所示為模型前處理信息。

　　2.2.8 建立拓?fù)鋬?yōu)化變量

　　進(jìn)入Optimization 模塊Topology 菜單選擇設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩裕愋瓦x擇PSOLID 創(chuàng)建優(yōu)化變量，進(jìn)入Draw 面板設(shè)置拔模方式為SPLIT 選擇從中心面往外兩側(cè)拔模，如圖11所示，Obstacle 選擇非設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)傩浴?/p>

　　圖11 設(shè)置拔模方向#p#分頁標(biāo)題#e#

　　2.2.9 建立優(yōu)化響應(yīng)

　　進(jìn)入response 面板分別建立類型為Volumefrac、Weighted Comp的連個(gè)相應(yīng)，其中Weighted Comp 在Loadstep 中將制動(dòng)、轉(zhuǎn)向工況都選中且權(quán)重均衡。

　　2.2.10建立優(yōu)化約束

　　進(jìn)入Dconstraints 面板選擇上一步所建立的類型為Volumefrac 的響應(yīng)，設(shè)置其上限值0.3，如圖12所示。

　　圖12 設(shè)置優(yōu)化約束

　　2.2.11建立優(yōu)化目標(biāo)

　　進(jìn)入Objective 面板，選擇第10步所創(chuàng)建的類型為Weighted Comp 的響應(yīng)設(shè)置其目標(biāo)為最小。

　　2.2.12 設(shè)置輔助卡片

　　如果需要可以設(shè)置一些輔助卡片，比如SCREEN 卡片，PARAM 卡片。

　　3 提交求解

　　保存 .fem 文件，設(shè)置合適的內(nèi)存空間后調(diào)用OptiStruct 解算器進(jìn)行求解。

　　4 優(yōu)化結(jié)果后處理

　　經(jīng)過28步的迭代，結(jié)果收斂。打開HyperView 查看結(jié)果，將單元密度閥值設(shè)置為0.3 ，結(jié)果如圖13所示。

　　圖13 優(yōu)化結(jié)果

　　返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第28步結(jié)果讀入，并使用OSSmooth 命令將優(yōu)化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.3結(jié)果如圖14所示。

　　圖14 光順后的結(jié)果

　　5 CAD 模型的重建

　　參考輸出的結(jié)果曲面，利用CAD 軟件對(duì)控制臂模型進(jìn)行參數(shù)化重建，結(jié)果如圖15所示。

　　圖15 控制臂參數(shù)化模型的重建

　　6 重建模型的驗(yàn)證

　　重建的CAD 模型必須要經(jīng)過CAE 分析方可凍結(jié)，關(guān)于CAE 分析步驟，此處從略。下面主要將模型結(jié)構(gòu)及CAE 結(jié)果與原方案進(jìn)行對(duì)比。

　　6.1 剛度比較

　　控制臂剛度對(duì)車輪的外傾、前束等參數(shù)的穩(wěn)定有很大關(guān)系，所以控制臂在受力時(shí)的彈性變形大小是考核控制臂設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，圖16、17分別時(shí)優(yōu)化前后控制臂在相同的制動(dòng)力作用下的變形情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后結(jié)果優(yōu)于優(yōu)化前結(jié)果。

　　圖16 優(yōu)化前控制臂縱向變形

　　圖17 優(yōu)化后控制臂縱向變形

　　6.2 模態(tài)比較

　　分別對(duì)優(yōu)化前及優(yōu)化后控制臂模型進(jìn)行約束模態(tài)分析， 圖18左右分別時(shí)優(yōu)化前及優(yōu)化后模型的一階彎曲振形，對(duì)應(yīng)的固有頻率為305Hz 和325Hz 可見優(yōu)化后模型其剛度值提高。

　　圖18 優(yōu)化前后模型的一介彎曲模型

　　7 結(jié)論

　　本文主要介紹了利用HyperWorks 軟件進(jìn)行麥弗遜懸架控制臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型重建、模型校核、方案對(duì)比等內(nèi)容。著重闡述了實(shí)體結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化流程。通過優(yōu)化使控制臂材料達(dá)到一個(gè)最優(yōu)化的分布，在既定的條件下使控制臂的用料最少，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量也最小，作為車輛簧下重量，控制臂的質(zhì)量越小，整車的舒適性也越好。

　　隨著燃油價(jià)格的普遍上漲，車輛輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越被各OEM廠家重視，本文通過一個(gè)完整的流程來證明只要是零部件就有優(yōu)化的空間。只要在優(yōu)化時(shí)設(shè)置好優(yōu)化的約束及模型的優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化與工藝性是可以統(tǒng)一的。