基于有限元分析的車輛轉向節輕量優化方法研究

張俊紅

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

電動方程式賽車作為未來汽車工業的發展方向，對其進行輕量化設計能有效降低能源需求[1]。電動方程式賽車的輕量化即在保證賽車整體安全性能與使用強度的基礎上，通過結構優化設計與改變材質等方法來降低賽車的整體質量[2-3]。具體而言，首先在零件受到較大應力作用時不會出現危險截面，而導致材料斷裂或彎曲失效；其次，需要滿足材料疲勞需求，即在一定壽命期內的反復作用下不會出現裂紋[4-9]。

目前，國內外研究者根據轉向節的制造與加工進行了深入的研究。例如文獻[10]中分析了轉向節的疲勞壽命，并通過提高表面質量與擴大過度圓角來提升轉向機的使用壽命。文獻[11]使用有限元法對轉向節臂進行了靜力分析，證明了有限元分析法的可行性與有效性。文獻[12]通過分析不平路面條件、滿載側滑條件與緊急制動條件下的轉向節使用狀況，指出轉向節臂是最容易受損的地方。文獻[13]通過優化轉向節的第一階段模態頻率，并使用折衷規劃法對其進行拓撲優化，表明優化后的轉向節具有更輕的質量、更高的模態頻率以及更強的剛度。

文中根據電動方程式賽車的實際開發需求，提出了一種基于ANSYS 軟件的轉向節分析與設計軟件。使用該軟件首先分析轉向節在靜載狀態下處于各種工況模式下的受力情況，并確定轉向節的優化目標；然后使用有限元分析法建立轉向節模型，確定其優化空間；最后通過迭代優化得到轉向節輕量化模型，并使用有限元分析法對轉向節進行受力分析，保證轉向節的穩定性。

1 轉向節自動分析軟件設計

1.1 軟件設計流程

有限元分析[14-19]使用數學近似的方法對物理模型進行模擬，該方法使用有限數量與相互作用的簡單單元來逼近真實系統。使用有限元分析軟件可以方便、快速地分析轉向節的強度與力學性能。

文中使用ANSYS 軟件構建轉向節的有限元模型。該軟件被廣泛應用于航空、汽車與生物醫學等領域，具有良好的分析功能與一體化的處理技術。使用該軟件對轉向節進行建模，主要包含創建有限元模型、劃分網格與查看分析結果3 個步驟。文中為了提升有限元分析的效率，對ANSYS 軟件進行二次開發，設計了一種針對轉向節建模的有限元分析軟件，去除了一些重復性工作，簡化了建模過程。

如圖1 所示，為該文使用C#對ANSYS 軟件進行二次開發的流程圖。從圖中可以看出，該文二次開發的系統將有限元分析的所有參數均集成在軟件界面中，并在界面顯示分析得到的應力云圖與位移圖結果。該二次開發過程中，最重要的步驟即生成完整的APDL 文件，該文件包括了有限元分析的前處理、施載、約束處理與后處理等流程。圖2 所示為APDL 文件的生成代碼，通過使用該代碼，程序將在相應的路徑自動生成后綴名為“.mac”的APDL 文件。

圖1 二次開發流程圖

圖2 APDL文件生成代碼

在生成APDL 文件后，程序通過連接ANSYS 軟件接口來調用ANSYS 軟件。在分析過程中，ANSYS軟件通過自動導入APDL 文件進行批量處理，并直接將分析結果保存為JPG 圖片，而界面處理程序將處理后的結果展示在界面上。圖3 所示為該文使用C#編寫的ANSYS 的軟件接口調用程序。

圖3 ANSYS軟件接口調用程序

1.2 軟件界面設計

為方便操作者進行轉向節的有限元建模與分析，該部分搭建了有限元分析界面。該文通過分析大量轉向節模型，得到影響轉向節性能的參數，并對這些參數進行分類，按照其類別統一搭建在軟件界面上。圖4 所示為該文設計的轉向節建模軟件的輸入界面，在該界面上用戶可根據實際需求來確定轉向節模型的參數與大小。

圖4 參數設置界面

由于轉向節的結構比較復雜，人工使用六面體來劃分網格較為繁瑣。文中直接調用ANSYS 軟件的自動劃分網格功能對該模型進行網格劃分，通過調整基本單元的邊長來調節網格劃分的精度，在壓面設置劃分網格的單元邊長，即可對轉向節模型進行劃分。該文對某轉向節模型進行網格劃分，該模型共包含207 141 個基本單元和304 288 個節點。同時，網絡劃分的質量可通過重復性檢查與單元質量檢查來確定。表1 所示為該轉向節模型的網格質量檢查結果，表中單元質量、扭曲因子與偏斜系數的值取0 表示最優，取1 表示最差，縱橫比取1 表示最優，值越大表示結果越差。從中可以看出，該文所建立的轉向節有限元模型及網格劃分結果較為理想。

表1 網格質量檢查結果

同時，該文也設計了模型分析界面來分析轉向節模型在不同工況下的模型靜應力，從而確定該轉向節模型是否存在優化空間。在該界面上，用戶可以看到轉向節模型的有限元模型、應力云圖、安全系數圖與應變云圖。通過文中提出的轉向節分析與設計軟件，可以清晰地得到轉向節模型的應力云圖、安全系數圖與應變云圖分析結果。

2 案例分析

為驗證文中所提出的轉向節分析與設計軟件的有效性，該部分使用該軟件分析某轉向節，并根據其性能設計優化目標來實現轉向節模型的優化，最后對優化后的轉向節模型進行測試分析。

文中結合國內外資料提供的轉向節質量，確定了表2 所示的優化目標，文中使用的轉向節的初始質量為0.89 kg。為實現輕量化設計，相對于表2 中的優化目標至少需要減重55%。

表2 轉向節優化目標

該文使用轉向節分析與設計軟件中的形狀優化模塊對該轉向節進行形狀優化，并設置目標減少量為55%。優化后的結果如圖5所示，圖5（a）與圖5（b）中深色部分表示可以去除的結構。結合圖5（a）與圖5（b）的優化結果，文中分別對轉向節進行迭代優化，即對輪轂軸承與制動卡鉗安裝座進行Y 方向優化，結果如圖5（c）與圖5（d）所示。

圖5 轉向節優化結果

為了驗證所得到的優化結果是否達到優化目標，文中分析了在側向沖擊工況下轉向節的受力情況。優化后的轉向節在側向沖擊工況下的應力云圖、應變云圖與安全系數圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，優化后的轉向節模型最大應力出現在內側輪轂軸承安裝處，值為310.49 Mpa；優化后的轉向節模型最小安全系數出現在內側輪轂軸承安裝處，值為1.62；優化后的轉向節模型最大形變量出現在轉向節最下端位置，值為0.46 mm。結果表明，優化后的模型在側向沖擊工況下的最大應力要小于7075 鋁的屈服強度，其應力與應變力達到了目標值，符合優化目標。

圖6 側向沖擊工況下的靜應力分析結果

為驗證所提出優化結果的有效性，文中對比分析了優化后轉向節模型在緊急制動工況下的峰值應力與預期峰值應力，其結果如表3 所示。從表中可以看出，優化后的轉向節模型的峰值應力與預期峰值應力的誤差均在10%以內，表明優化后的轉向節模型能滿足實際工程需要。因此，認為該模型與實際轉向節模型的特性基本一致。

表3 優化前后轉向節模型應力峰值對比

轉向節是汽車懸架中承受載重的重要部件，其零件的破損與疲勞將影響汽車的行駛安全。因此，文中測試了優化后的轉向節模型在疲勞試驗架上的疲勞壽命。為確保轉向節在規定的循環測試下不出現疲勞破損，文中排除了轉向節加工工藝的缺陷，并在每次試驗中至少選擇3 個轉向節進行測試，結果如表4 所示。從表中可以看出，優化后的轉向節在規定次數的循環測試中均未出現裂紋，表明所提出的基于有限元分析的車輛轉向節分析與設計軟件能實現轉向節的優化設計。

表4 轉向節疲勞測試結果

3 結束語

文中提出了一種基于有限元分析的車輛轉向節分析與設計軟件。通過二次開發ANSYS 軟件，建立了轉向節在緊急制動工況、轉彎沖擊工況與側向沖擊工況3 種典型極端行駛環境下的受力分析模型，初步確定了轉向節的優化目標，通過分析有限元模型來確定轉向節的優化空間，最后使用拓撲優化與迭代優化的方式實現優化目標。對優化后輕量化的轉向節在典型極端行駛環境下的分析結果表明，所提方法不僅能有效減少轉向節質量，且能增加轉向節的剛度與疲勞壽命，在保證賽車安全性的同時能增加操作穩定性與動力性。同時，使用所提出的車輛轉向節分析與設計軟件可以快速、自動的設計與實現轉向節模型的分析和優化。