基于HyperWorks 的汽車轉向節輕量化設計

柳玉升

（福建船政交通職業學院）

隨著汽車技術的發展，汽車輕量化設計開始在汽車發展中占有重要地位，它既可以提高車輛的動力性、降低成本，又能減少能源消耗和污染[1]。新能源汽車受續航能力、能耗與補貼等因素影響，對輕量化的要求尤其高。但是，汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車質量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度，而轉向節是汽車懸架中的重要零部件，對轉向節的強度、抗沖擊性能以及可靠性方面都有很高的要求，因此在轉向節輕量化設計時需考慮轉向節的強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，計算出垂向工況、前行制動工況、倒車制動工況等應力分布，通過強度分析，圍繞材料、結構和工藝等展開轉向節輕量化設計。

1 基礎模型有限元模型建立及分析

轉向節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，轉向節相對于車身運動，它并非處于靜止平衡狀態，難以得到一個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地模擬實際邊界條件，為此可以使用慣性釋放法對轉向節進行分析[3]。由于整車有限元模型的計算量太龐大，導致計算時間過長，因此僅選取轉向節模型與整車相連的各硬點在整車工況下的載荷作為輸入載荷，單獨對轉向節模型進行有限元分析。利用HyperWorks 的OptiStruct 模塊，采用慣性釋放的方法計算出轉向節承受各工況載荷下的應力，各硬點處加載各工況載荷由多體動力學分解得出，選擇剎車、轉向、剎車＋轉向、垂向等共計10 個典型工況[4]，以一款滿載質量為2 085 kg 的SUV 為例進行分析。

1.1 有限元模型建模

利用HyperMesh 的CAD 模型建立轉向節有限元模型。轉向節采用實體單元TERTA 4 進行網格劃分，襯套采用CBUSH 單元進行模擬，轉向節上各連接硬點用REB2 單元進行連接。整個有限元模型單元總數為58 372，節點總數為96 734。采用二階四面體單元[5]。原始結構，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 轉向節幾何模型圖

圖2 轉向節有限元模型

表1 轉向節有限元模型信息

1.2 材料屬性

計算中所使用的材料參數[6]，如表2 所示。

表2 轉向節材料參數

1.3 分析工況

為準確分析轉向節的強度，需要在不同工況下分析轉向節的受力情況。常見的工況類型有通過不平路面的沖擊載荷、緊急制動產生的制動力、縱向沖擊及在轉向時產生的側向沖擊力。在汽車高速行駛時，轉向節受到路面的各種沖擊是分析時需要考慮的主要因素。為了能夠實際反映汽車在各種路況中的轉向節受力情況，選擇垂向、轉向、剎車、前沖以及后沖等典型工況進行分析。Fx，Fy，Fz分別代表向后、向內和向上的力，各輪轉向節分析工況，如表3 所示。左前轉向節工況加載，如圖3 所示。

表3 各輪轉向節分析工況 N

圖3 左前轉向節工況加載

1.4 各工況分析結果

轉向節在各工況下的分析結果，如表4 所示。在各工況下的應力云圖，如圖4 所示。在左轉工況和左轉制動工況下的最大應力分別為380.01 MPa 和309.58 MPa，未超過轉向節材料QT500 的屈服極限405 MPa，且其余工況的最大應力為188.63 MPa，遠小于材料的屈服極限，安全系數較大，因此輕量化可考慮將材料和結構優化相結合。

表4 轉向節分析結果 MPa

圖4 轉向節在不同工況下應力云圖顯示界面

2 模型優化及分析

2.1 優化方案

目前輕量化技術主要有4 種：新結構、新材料、新工藝、新方法[7]，由于轉向節模型采用實體單元建模，其優化目的是在給定的設計空間內找到最優的材料和最合理的結構分布，所以文章采用新材料和新結構相結合的方式實現輕量化。從圖4 可以看出，轉向節整體應力較小，遠小于所使用的鑄鐵材料屈服極限，可見實現輕量化在材料上仍有調整的空間，因此可以在結構優化的基礎上考慮將材料改為鋁合金。結構應力主要集中在螺栓孔、圓角過小及局部過于單薄之處，而有些區域承受應力較小，可以適當調整結構、減薄材料，因此采取以下方案進行優化：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，減小局部應力集中；3）將平滑度不足的區域重構模型使過渡平滑；4）在承受應力小的橫向拉桿球頭擺臂及仰角位置適當減小結構體積及厚度，并增加拉筋和加大圓角。

按以上方案對轉向節模型進行拓撲優化及模型重構，優化前后模型，如圖5 所示。除局部調整外，總體模型差別不大，但經過材料更換及局部結構優化，轉向節的質量由5.3 kg 減少至3.1 kg，極大程度實現了輕量化的目標。鋁合金材料參數，如表5 所示。

圖5 優化前后的轉向節模型

表5 鋁合金材料參數

2.2 優化后的分析結果

優化后的應力分析，如圖6 所示。優化后的最大應力為186.96 MPa，小于轉向節材料鋁合金6082 的屈服強度260 MPa，并且滿足安全使用系數，因此文章通過采用材料和結構優化相結合的輕量化方案，使轉向節在各工況下滿足強度要求，該方案具有可行性。

圖6 優化后轉向節不同工況下應力云圖顯示界面

3 結論

采用HyperWorks 的有限元分析技術對轉向節進行建模分析與優化后完成輕量化設計，可以得出：

1）基于HyperWorks 的慣性釋放方法計算轉向節各工況應力，通過改變結構和材料的方式，最終可以得到較為理想的轉向節輕量化方案。通過文章案例可以清楚地看到優化方案質量較之前減輕了41.5%，轉向節質量由原先的5.3 kg 減輕到3.1 kg，達到了期望的優化效果。

2）通過該分析實例，說明基于HyperWorks 的結構分析對汽車輕量化的研究具有實際工程運用意義，不僅有效實現了轉向節輕量化，同時通過優化降低應力至186.96 MPa，滿足了新材料屈服極限，保證輕量化后轉向節的可靠性，可有效縮短輕量化設計周期并指導設計。

3）實際行車時轉向節承受的載荷更多為隨機載荷，需注意疲勞破壞，故后續有必要對轉向節進行動態分析及試驗驗證。