轎車副車架強度可靠性分析及優化

袁德文 陳雙喜

摘 要： 轎車副車架強度可靠性影響著汽車使用安全，因此本文主要針對轎車副車架的強度進行評估，分析其可靠性，針對分析結構進行優化。

關鍵詞： 轎車副車架；強度；可靠性；優化

隨著社會的發展和科技的進步，現階段的我們不同于以往，生活條件越來越好，在代步工具的選擇上，人們不僅僅局限于其代步功能，對其他方面的需求也在激增。現階段傳統意義上的懸架系統已經滿足不了人們的需求，由于傳統的懸架系統是將構建好的架子直接連在車上，這會存在車中振動明顯以及噪音大的缺陷，進而使得車子的整體性能降低不利于用戶良好的體驗，基于此問題，人們對此進行創新改進，通過在二者之間加入副車架減輕振動及噪聲，進而提高汽車使用的舒適程度。以往副車架通常配置在D級豪華車中，發展到現階段為止A級私家車中也常會配置該裝備。社會的高速發展使得大部分的家庭都會配備私家車，對于汽車而言安全永遠位于第一位。所以在設計汽車的時候必須從安全第一的角度出發對汽車進行改進設計，進而提高汽車的其他性能。副車架是其中必不可少的設備，因此副車架的安全性設計也是非常重要的。

1.副車架分類及功能

1.1副車架分類

從多種角度上而言，副車架有很多種分類方法，現階段主要有以下兩種方式：

1）依據懸架與車架的連接方式的不同分為：

全承載式副車架：全承載顧名思義懸架上的所有部分都和副車架相連接，進而再與車體相連。這種方式通過在副車架與懸架中間使用橡膠制品減少在實際使用中的振動進而起到減震的作用，從而使得車子的舒適程度有所提升，提高車子的性能。

半承載式副車架：半承載式也就是懸架與副車架接近一半的部位是直接相連的，其余部位通過懸架中有緩沖作用的部件進行連接，這種連接方式能夠在保證車身的穩定性的同時減輕振動，提高車子的整體性能。

2）按構成副車架材料不同分為：

鋼制材料：硬度高，價格適中。

鋁制材料：重量小、柔韌性好、具有耐腐蝕性。

碳纖維材料：質量輕、強度高、耐腐蝕

新型復合材料：加工工藝步驟少、質量輕、耐腐蝕

1.2副車架功能

副車架中的底盤是其重要組成部分之一，針對底盤的性能，我們通常會考慮其舒適程度以及底盤操作性。但是這兩種性能是此消彼長的，并不能保證其二者都處于較高的水平，因此，在設計過程中，應將二者控制在恰當的水平，進而保證底盤的舒適度以及操作性，從而減弱噪聲提高緩沖。

副車架對改善與懸架相連的剛度等因素具有重要的意義，因此我們可以調節副車架進而對車子的舒適程度以及可操作性能進行調節適應。懸架散件通常情況下預先配置在副車架上，輸入車子內部的部件，最后再將其配置到車上。這種使用方案能夠度懸架的總體性能進行改造，進而能夠符合不同安裝平臺的要求，進而節約改進成本，有助于技術的最大化使用。

2 副車架強度分析問題的提出

汽車的動力系統是其啟動運行的重要前提。因此，有關設計者在原車型的基礎上進行動力系統的整體改進，在換了一款新的發動機后進行實驗，在行駛了6000多公里路之后，汽車的副車架出現了明顯的壞裂的痕跡，開裂位置為車體與擺臂相連的位置，在換了新發動機之后，其動力性明顯提升，因為沒有對該車進行實際道路載荷試驗，因此沒有分析車子的疲勞性，而是僅僅分析了副車架的承載能力。

3 有限元模型的建立

副車架使用的是抗液壓能力的板材以及通過鋼板沖壓而形成的附件焊結構，使用4個豎直的橡膠襯套相結合，豎直的擺臂與上下的擺臂都是與副車架直接相連的，進而建立三維如圖1所示，進而把建構的模型導出STF，轉換格式后傳遞進HypcrMcsh中，通過模型建構，使得沖壓部件轉化為殼體，同時使用Shc中的相關模塊對其進行相關的劃分，將其劃分為邊長為3mm正方形以及部分三角形單元網格，其中能夠得到70336個單元節點，以及38432個單元，其中正方形網格655個，三角形網格2917個，此副車架使用的材料為：材料鋼，屈服極限420Pa，彈性模量210GMPa，泊松比0.3，密度7800kg.m-3。

4 動力學計算工況載荷

如圖1所示的剛柔耦合前懸架動力學模型，由于懸架的主要結構是帶扭桿形的結構。其中包括控制臂、緩震裝置、扭桿、副車架、穩定桿、發動機動力總成等。該模型的副車架模型所使用柔性體，通過軟件NASTRAN動態模擬計算的出中性文件MNF。使用中向其中輸入所需要的各項數據以及實際工況，進而得到各項工況的結果；在實際使用軟件時應充分考慮到發動機的功率的不穩定性所導致的實際情況的改變，進而計算出發動機能夠輸出的最大扭矩工況，得到懸置受力。在之后的情況分析時也建立了發動機懸置模型，進而模擬出發動機的輸出力矩。

5.副車架結構優化設計

5.1優化理論

拓撲優化是結構材料的空與實的問題，其基本思路是人為引入一種假想的密度可變材料，優化時以材料密度為設計變量，將結構拓撲優化問題轉換為材料分布問題。變密度法是連續體拓撲優化常用的方法。在優化的過程中，每一個單元對應一個優化變量，通過不斷的改變優化變量的取舍，使中間密度值盡可能的在空和實之間分布，使連續變量的拓撲優化模型能更好的逼近離散變量的優化模型隊采用的變密度拓撲優化方法。為了更好的改善副車架的模態特性，如果將其一階頻率值最大作為目標函數，在優化迭代的過程中，由于結構材料分布，當一階頻率達到最大時，其它各階模態頻率的大小和振型也將隨之改變，頻率階數可能相互調換次序，引起模態振蕩現象，從而干擾模型求解收斂結果，也影響優化迭代過程中的收斂性和穩定性。為避免這種現象，采用平均頻率四公式，來定義優化目標函數，基于頻率建立拓撲優化數學模型：

5.2具體優化策略

（1）改進材料，減輕副車架質量；

（2）增加焊縫；

（3）檢查焊縫質量，保證副車架穩定性。

5.3優化步驟

利用HyperWork、中的OptiStruct模塊的對轎車的副車架進行拓撲優化設計。首先要確定優化過程中的設計變量、優化目標和約束函數。由于拓撲優化的函數公式在。ptiStruct中不能直接調用，可利用該軟件中的自定義方程功能，先定義平均頻率公式，然后再把定義好的函數設為響應，最后把該響應作為拓撲優化的目標函數、在。ptiStruct中建立拓撲優化計算模型。

（1）將優化設計空間的每一個單元相對密度ρ作為設計變量。

（2）體積分數η<80%和最大應力作為二σnax< 400MPa約束、

（3）平均頻率最大化作為目標函數。

5.4優化結果分析

將修改好的副車架模型在HypcrWork、中進行靜力分析，得到三種工況下的靜力云圖，其中應力最大的Bump工況，優化后的Bump工況下副車架總成Von-mists等效應力最大值為356.1 MPa，與優化前相比較有顯微的增加，但遠小于材料的最大許用應力420MPa，說明優化后的副車架結構力學性能表現較好。

結論

通過建立包含有副車架剛柔耦合的動力學模型，進行各種典型工況的動力學分析，為計算分析副車架的結構強度提供邊界載荷，再根據有限元分析計算出副車架結構強度應力分布情況，為產品設計人員提出改進方案，優化產品結構提供一定的參考依據，并取得良好的效果。

參考文獻

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