基于ADAMS與HyperWorks的某車型扭力梁強度分析及結構參數優選

黃巨成，高龍，鄒紅軍，汪翰明

基于ADAMS與HyperWorks的某車型扭力梁強度分析及結構參數優選

黃巨成，高龍*，鄒紅軍，汪翰明

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

針對某車型的扭力梁開發需求，首先基于該車型的硬點、整車及系統參數，利用ADAMS軟件建立整車動力學模型，分析不同工況下的扭力梁受力點的受力情況，并提取各受力點力值。然后將各受力點的力值添加到按照實際工況進行約束的扭力梁的有限元模型中，分析各工況下的扭力梁強度，并根據強度分析情況對扭力梁結構參數進行優選，以滿足各工況受力需求。分析結果及耐久路試結果表明，優化后的扭力梁滿足各工況使用需求。

扭力梁；ADAMS；強度分析

扭力梁懸架是較為常用的一種半獨立懸架，主要由扭力梁、彈簧、減震器、襯套等構成，由于結構較簡單、制造成本較低而被廣泛應用[1]。其中扭力梁主要由承受側向力矩、垂向載荷的橫梁和左右可上下擺動的縱臂、彈簧托盤、減震器下支座、襯套安裝套管焊合而成，通過彈簧、減震器、襯套來實現車輪與車身之間的柔性連接，以達到支撐車身和減震的作用。

扭力梁的尺寸、材料、橫梁斷面形狀、橫梁焊接位置、縱臂尺寸、縱臂斷面形狀等對扭力梁剛度影響很大，直接影響整車的操穩性能。在整車開發中，一旦扭力梁重新開發，則整車的操穩性能必須重新調校，操穩性能調校周期長、成本高，對改型改款要求開發周期短的車型不利。故一般在改款車型開發中，會盡量保持平臺化，僅針對軸荷變化做相應的強度校核并優化，以縮短產品開發周期、降低開發成本。

本文針對某改款車型軸荷增大的需求，為進行平臺化考慮，需對基礎車型后扭梁進行強度分析。為此，利用ADAMS動力學分析和HyperWorks有限元分析相結合的方法，分析基礎車型扭力梁的強度，并針對強度不足的地方進行結構優化[2-3]，以滿足整車開發需求。

1 動力學建模及分析

基于基礎車型的硬點、各系統參數，改款車型的軸荷分布信息、各部件的連接關系等，利用ADAMS軟件建立各系統模型，最終經過裝配調試成整車動力學模型[4]，如圖1所示。

圖1 整車動力學模型

為模擬實車工況，考慮分析的全面性，結合整車的使用工況，設置分析工況如表1所示。

表1 動力學分析工況

利用建立好的整車動力學模型針對以上工況進行分析，提取扭力梁各受力點的力值，以作為有限元分析的力值輸入。扭力梁各受力點如圖2所示。

① 梁與車身左襯套連接點 ②扭梁與車身右襯套連接點 ③左彈簧下支點 ④右彈簧下支點 ⑤左減振器下支點 ⑥右減振器下支點 ⑦扭梁與左車輪連接點 ⑧扭梁與右車輪連接點

表2給出了利用整車動力學模型對工況7進行分析后的扭力梁受力點載荷提取值，通過各受力點數值可以看出，在該工況下，左邊的扭力梁與車輪連接點向受力和繞向的扭轉力矩最大，由于受扭力梁的扭力變形衰減，右邊的扭力梁與車輪連接點Z向受力和繞向的扭轉力矩較左邊均小，與實際相符，間接證明了動力學模型的正確性。

表2 工況7扭力梁受力點載荷提取值

2 扭力梁有限元分析

2.1 有限元模型的建立

扭力梁的橫梁為等截面厚度6 mm的V型開口薄壁梁，縱臂為厚度為5 mm的空心鋼管，其余部件均為薄壁件。將扭力梁的三維實體模型導入到Hypermesh中，對模型進行簡化和處理，并將各部件的材料屬性賦予模型的各部件中，各部件的材料相關信息如表3所示。采用板殼Shell單元對扭力梁主要零部件進行網格劃分，得到27865個節點和26204個單元。根據各部件的幾何特征和連接方式，采用RBE2和RBE3的焊接處理方式，對扭力梁各部件的有限元模型網格單元進行關聯處理，最終得到扭力梁的有限元模型[5-6]，如圖3所示。

表3 各部件材料信息

圖3 扭力梁有限元模型

2.2 強度分析

將從動力學分析中提取的各工況力值加載到有限元模型中，采用von Mises準則計算各工況下扭力梁的應力，通過對比扭力梁關鍵部位的實際應力和屈服強度，分析各部件強度。由表4可看出，在工況1和工況5的受力條件下，扭梁的強度不滿足要求，扭梁的縱臂受力均超過材料的屈服強度，如圖4所示。

表4 各工況分析結果

對于一般汽車部件的強度分析，安全系數需大于1.0；根據以上分析結果，扭力梁整體應力分布合理，最小安全系數小于1.0的位置主要在縱臂焊接區域，在實際使用中將出現焊縫開裂導致扭梁失效，需重新優化加強該區域。

圖4 縱臂局部受力圖

2.3 扭梁結構參數優選分析及驗證

為滿足各工況需求，需要對各薄弱區域進行加強處理，加強方案主要有增加材料厚度、更換材料、修改部件結構等。由于修改部件結構需要變動模具，綜合考慮成本因素，扭梁優化方案為更換高強度材料與增加厚度相結合。

縱臂材料厚度分別為5 mm和5.5 mm，將縱臂材料由20號鋼分別調整為35號鋼、40號鋼、45號鋼，分別計算出縱臂在所有工況中的最小安全系數，如表5所示，可以看出，除方案1外，其他方案的最小安全系數均大于1，但考慮到該車為電動車且后期會超載，根據相關經驗，選擇最小安全系數為1.24的方案。優選后的方案經10000 km強化路試，扭力梁各部件無開裂現象，滿足使用要求。

表5 縱臂結構參數優選分析結果

3 總結

本文利用軟件ADAMS和HyperWorks對扭轉梁進行結構強度分析，分別模擬了整車實際應用中的七種工況，并針對其中強度不足的工況進行了結構參數優選分析，分析結果表明參數優選后的后扭梁總成滿足結構強度要求。利用虛擬分析軟件對汽車部件的各應用工況進行分析可縮短產品的開發時間，降低開發成本，提升產品質量，具有較好的工程應用前景。

[1]潘宇，鄧帥，何云峰. 扭轉梁后懸架的強度分析[J]. 裝備制造技術，2014（3）：173-175.

[2]陳敏，吳志恒，羅良傳，張華偉. 基于拓撲優化的發動機支架的機構設計[J]. 機械，2016（2）：53-55.

[3]陳剛，王家華. 基于有限元分析的空濾器支架輕量化設計[J]. 機械，2015（5）：34-38.

[4]陳志偉，董月亮. 多體動力學仿真基礎與實例解析[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012：279-280.

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[6]張新洲，蔣清海，武凱. 壓機框架有限元分析及試驗驗證[J]. 機械設計，2012，29（3）：11-15.

Strength Analysis and Structural ParametersOptimization of Torsion Beam of a Vehicle Based on ADAMS and HyperWorks

HUANG Jucheng，GAO Long，ZOU Hongjun，WANG Hanming

( Chery Commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd., Wuhu 241000, China )

In this paper, according to the demand of torsion beam development of a certain type of vehicle, firstly based on the hard point, vehicle and system parameters of the model, the dynamic model of the vehicle is established using ADAMS software, and the stress of the torsion beam under different working conditions is analyzed. And extract the value of each stress point. Then, the force values of each stress point are added to the finite element model of the torsion beam constrained according to the actual working conditions, and the strength of the torsion beam under each working condition is analyzed, and the torsion beam is optimized and strengthened according to the strength analysis to meet the requirements. Demand for various conditions. The analysis results and endurance road test results show that the optimized torsion beam satisfies the requirements for various operating conditions.

torsion beam；ADAMS；strength analysis

U463.33

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.009

1006－0316 (2018) 12－0029－04

2018－06－04

黃巨成（1981－），男，山東菏澤人，碩士，高級工程師，主要從事底盤設計開發研究方面的工作。

高龍（1986－），男，安徽太和人，碩士，工程師，主要從事底盤設計開發研究方面的工作。