基于拓撲優(yōu)化的汽車懸架控制臂輕量化設計及碳排放量化對比分析

【摘" 要】隨著汽車技術(shù)的不斷創(chuàng)新和社會對環(huán)境友好型交通工具的日益關注，當前汽車工程領域的研究在于提高車輛性能的同時，降低其全生命周期碳排放水平。針對此問題，文章以汽車懸架控制臂為研究對象，利用ANSYS軟件對其進行靜力學分析并進行輕量化設計。最后，對優(yōu)化前后控制臂的原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段以及使用階段所產(chǎn)生的碳排放進行量化分析，基于碳排放量化結(jié)果驗證控制臂零件輕量改進后的減碳效益。

【關鍵詞】汽車懸架控制臂；輕量化設計；碳排放量化分析

中圖分類號：U463.33" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0033-04

Lightweight Design of Automobile Suspension Control Arm Based on Topology Optimization and

Quantitative Comparative Analysis of Carbon Emission*

HU Cong1，ZHENG Yu1，WU Mingfeng2，HUANG Hao2

（1.Intelligent Manufacturing Technology Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009；

2. Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

【Abstract】With the continuous innovation of automobile technology and the increasing concern of society for environment-friendly vehicles，the current research in the field of automobile engineering is to improve the performance of vehicles and reduce their carbon emission level in the whole life cycle. In order to solve this problem，this paper takes the automobile suspension control arm as the research object，uses ANSYS software to carry out static analysis and lightweight design. Finally，the carbon emissions produced in the raw material acquisition stage，the manufacturing stage and the use stage of the control arm before and after optimization are quantitatively analyzed，and the carbon reduction benefits of the control arm parts after lightweight improvement are verified based on the quantitative results of carbon emissions.

【Key words】automotive suspension control arm；lightweight design；carbon emission analysis

1" 引言

隨著技術(shù)的進步，工程領域中對有限元技術(shù)的運用也越來越多。趙清海[1]等利用有限元分析軟件對汽車懸架控制臂做了可靠性拓撲優(yōu)化。魯春艷[2]等綜合考慮多個性能目標對汽車懸架控制臂做了拓撲優(yōu)化。徐峰[3]利用Hyperworks軟件，綜合考慮了麥弗遜懸架下擺臂在垂直、轉(zhuǎn)向以及制動3種工況所受載荷，對其進行拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)了輕量化設計。本研究所選控制臂是基于ANSYS軟件的拓撲優(yōu)化模塊，利用其有限元分析能力優(yōu)化控制臂的材料分布，實現(xiàn)控制臂零件的輕量化設計。

碳排放分析是一種量化溫室氣體排放量的方法，主要關注的是二氧化碳的排放，通過分析各環(huán)節(jié)的碳排放數(shù)據(jù)，找出潛在的減排環(huán)節(jié)和方式。蔣詩新[4]等通過研究，確立了汽車零部件生產(chǎn)使用各階段的碳排放量化模型。本研究針對優(yōu)化前后控制臂在原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段以及使用階段有碳排放差異的部分進行具體量化計算。

2" 汽車懸架控制臂輕量化設計

2.1" 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設計的一種方法，它根據(jù)負載、約束和性能指標，在設計區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化。其目標是在給定的設計空間內(nèi)，在保持特定性能指標的前提下，實現(xiàn)輕量化設計，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。這項技術(shù)通過自動重新分配材料，將不需要的材料去除或減少，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和優(yōu)化。

2.2" 控制臂建模及其載荷確定

本研究所用控制臂零件如圖1所示，該模型采用逆向工程技術(shù)掃描現(xiàn)實中控制臂零件，并將其導入到SolidWorks軟件，建立某汽車懸架系統(tǒng)的控制臂的簡化模型。本研究所用實例為L型控制臂，采用6082鋁合金制成，應用于麥弗遜獨立懸架[5]。

控制臂所用材料力學性能見表1。控制臂靜力學分析步驟如下：首先將模型導入到ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，在ANSYS導入模型后建立材料庫，控制臂材料為6082鋁合金；其次對其進行網(wǎng)格劃分，對容易發(fā)生應力集中的地方要細化網(wǎng)格處理；最后對模型施加約束與載荷。具體極限載荷工況及約束設置如圖2所示。控制臂載荷設置及其大小見表2。

如圖2所示，在控制臂上端模擬汽車實際裝配工況施加圓柱形約束，在控制臂下端施加圓柱形載荷，該載荷在x和y方向上的分力分別為8400N和50000N[1]。對其在該載荷和約束作用下進行等效應力和等效應變求解。

2.3" 控制臂拓撲優(yōu)化

將ANSYS軟件中拓撲優(yōu)化模塊與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊的求解結(jié)果建立連接即可進行模型的拓撲優(yōu)化。在拓撲優(yōu)化模塊中設置其優(yōu)化區(qū)域、優(yōu)化目標及其響應約束。優(yōu)化區(qū)域設置為除去圖2中加載點與施加圓柱形約束的3個圓柱形表面的全部幾何體，目標為剛度最大優(yōu)化，響應約束設置為保留70%質(zhì)量。全部設置完畢后利用ANSYS拓撲優(yōu)化模塊求解得到拓撲優(yōu)化結(jié)果，將拓撲后的模型導出到SolidWorks后進行模型重建，得到最終優(yōu)化結(jié)果。拓撲優(yōu)化結(jié)果及模型重建結(jié)果如圖3所示。

2.4" 拓撲優(yōu)化前后性能對比

為探究優(yōu)化后重建模控制臂是否可行，需要對其在相同極限載荷工況和約束下進行靜力學分析，并與優(yōu)化前控制臂零件靜力學分析結(jié)果進行對比。通過對比來探究優(yōu)化后控制臂零件在結(jié)構(gòu)性能的變化。控制臂優(yōu)化前后等效應力應變?nèi)鐖D4所示，控制臂優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對比見表3。

通過對比，可知優(yōu)化后控制臂零件在極限工況下的等效應力和等效應變較優(yōu)化前零件相比都有所提高，但都滿足使用條件，在安全范圍內(nèi)。優(yōu)化后的控制臂零件質(zhì)量降低l.11kg，質(zhì)量減輕了31.5%。

3" 控制臂優(yōu)化前后碳排放分析

3.1" 控制臂優(yōu)化前后各階段碳排放差異分析

控制臂拓補優(yōu)化后較原零件其側(cè)邊一和側(cè)邊二的形狀發(fā)生變化，因此相應的在生產(chǎn)制造機加工階段的加工軌跡不同，優(yōu)化后的控制臂零件主體兩側(cè)需要多銑削加工一個深度為7mm的橢圓形槽，優(yōu)化前后控制臂零件如圖5所示。此外，因為優(yōu)化前后質(zhì)量發(fā)生變化，其在原材料獲取階段、生產(chǎn)制造的各子階段及使用階段產(chǎn)生的碳排放有所不同，具體分析見表4。

3.2" 優(yōu)化前后控制臂各階段有碳排放差異部分具體量化計算

3.2.1" 原材料獲取階段

原材料獲取階段碳排放量化模型[4]：

式中：Mi——零部件所包含的第i類物質(zhì)的質(zhì)量，kg；EFi——第i類物質(zhì)排放因子，kgCO2e/kg。該控制臂零件所用的材料為6082鋁合金，6082鋁合金所含材料成分見表5。

優(yōu)化前零件最終成品質(zhì)量為3.52kg，考慮到生產(chǎn)加工中鍛造完成后需要進行切邊以及側(cè)邊輪廓銑削及其它相關機加工，需要留有一定的加工余量，定其所需原材料質(zhì)量為3.8kg。計算得Gmateria1=7.947kgCO2e。

優(yōu)化后零件最終成品質(zhì)量為2.41kg，考慮到生產(chǎn)加工中鍛造完成后需要進行切邊以及側(cè)邊輪廓銑削及主體部分兩側(cè)橢圓形槽銑削和其它相關機加工，需要留有一定的加工余量，定其所需原材料質(zhì)量為2.85kg。計算得Gmateria2=5.961kgCO2e。

3.2.2" 生產(chǎn)制造階段

1）坯料加熱階段

坯料加熱階段碳排放量化模型[4]：

式中：C——工件比熱容，J/（kg·℃）；M——工件質(zhì)量，kg；Δt——金屬出爐溫度與入爐溫之差，℃；EFelc——電網(wǎng)的碳排放因子，kgCO2e/kW·h。

查閱相關資料得：6082鋁合金的比熱容約為950J/（kg·℃）；鍛造所需溫度為490℃，取常溫為20℃，則Δt=470℃，電網(wǎng)碳排放因子經(jīng)查詢得EFelc=0.57kgCO2e/kW·h，優(yōu)化前質(zhì)量3.8kg，計算得Gh1=0.28kgCO2e；優(yōu)化后質(zhì)量2.85kg，計算得Gh2=0.21kgCO2e。

2）熱處理階段

熱處理階段碳排放量化模型[4]：

式中：Ni——某熱處理工藝電能消耗，kW·h/kg；Nb——標準工藝電能消耗，0.28kW·h/kg；k1——該熱處理工藝折算系數(shù)；k2——該熱處理工藝的加熱方式系數(shù)；k3——該熱處理工藝的生產(chǎn)方式系數(shù)；k4——該熱處理工藝的工件材料系數(shù)；k5——該熱處理工藝的裝載系數(shù)；m——熱處理工藝的工件質(zhì)量，kg。

所選6082鋁合金熱處理方式為固溶人工時效處理。根據(jù)國標GB/T 17358—2009熱處理生產(chǎn)電耗計算和測定標準[6]查得：k1=0.4，k2=1.5，k3=1.4，k4=3.0，k5=1.2，設在鍛造完成后切邊處理時會損失0.1kg質(zhì)量，則在熱處理階段優(yōu)化前零件質(zhì)量為3.7kg，計算得Gheating1=1.78kgCO2e；優(yōu)化后零件質(zhì)量2.75kg，計算得Gheating2=1.33kgCO2e。

3）機加工階段

銑削加工碳排放量化模型[4]：

式中：Zx——銑削金屬切削率，mm3/min；vf——進給速度，mm/min；ap——銑削深度，mm；ae——銑削接觸弧深，mm；S——銑削面積，mm2；Δ——加工余量，mm；Px——銑床功率，kW。

由于該控制臂3個裝配位置的尺寸相同，其機加工工序相同，碳排放量也相同，故可不予計算。優(yōu)化前后機加工工序不同點主要在于控制臂側(cè)邊1和側(cè)邊2銑削路徑不同，以及優(yōu)化后控制臂主體兩側(cè)需要銑厚為7mm的橢圓形槽。銑削加工所用機床及其相關參數(shù)見表6。

銑削加工所用機床為VMC600數(shù)控銑床，銑床功率為5.5kW，將數(shù)據(jù)代入計算得：優(yōu)化前Gx1=0.427kgCO2e；優(yōu)化后Gx2=0.999kgCO2e。

3.2.3" 使用階段

使用階段碳排放量化模型：

式中：Mq——所消耗汽油質(zhì)量，kg；EFq——汽油的碳排放因子，經(jīng)查詢?yōu)?.46kgCO2e/kg；m——控制臂質(zhì)量，kg；M——汽車質(zhì)量，kg。

以一輛1.4t的汽車為例，按照60萬公里強制報廢，設其能正常行駛60萬公里，根據(jù)其行駛60萬公里所耗汽油與控制臂所占汽車質(zhì)量分數(shù)相乘來計算控制臂部分使用階段碳排放量。設其為排量2.0L的汽車，其每100km的油耗約為11L，所以共耗油66000L。汽油密度為750kg/m3，則共消耗49500kg汽油。將數(shù)據(jù)代入計算得：優(yōu)化前Gusing1=57.25kgCO2e；優(yōu)化后Gusing2=39.19kgCO2e。

3.3" 優(yōu)化前后碳排放差異對比

除了在生產(chǎn)制造階段優(yōu)化后的控制臂零件產(chǎn)生的碳排放量略高于優(yōu)化前控制臂零件，其它階段優(yōu)化后控制臂零件產(chǎn)生的碳排放均降低。依據(jù)全階段對比結(jié)果，控制臂優(yōu)化后產(chǎn)生的碳排放降低了19.994kgCO2e，減少了29.5%的碳排放量。具體數(shù)據(jù)對比如圖6所示。

4" 結(jié)論

本研究首先通過拓撲優(yōu)化算法，在保持結(jié)構(gòu)剛度和強度的前提下成功設計了一種輕量化的汽車懸架控制臂結(jié)構(gòu)。這為汽車輕量化提供了一種可行的解決方案，不僅可以提高燃油效率，還有望改善車輛的整體性能。其次，通過對比分析輕量化設計和傳統(tǒng)設計各階段產(chǎn)生的碳排放量，明確了新設計在減少碳排放方面的顯著效果。這種對比分析為制造業(yè)在追求可持續(xù)性和降低碳足跡的目標中提供了實質(zhì)性的支持。輕量化設計在減少材料消耗的同時，有效降低了零件在原材料獲取階段和使用階段的碳排放，從而在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)實現(xiàn)了環(huán)境效益提升。最后，這項研究不僅對于汽車懸架控制臂的設計具有實際應用意義，也在碳排放量化實際應用上提供了借鑒。

參考文獻：

[1] 趙清海，張洪信，朱智富，等. 汽車懸架控制臂的可靠性拓撲優(yōu)化[J]. 汽車工程，2018，40（3）：313-319.

[2] 魯春艷，徐趙磊，劉何俊，等. 汽車懸架控制臂多目標拓撲優(yōu)化設計[J]. 機電工程技術(shù)，2021，50（10）：93-95，131.

[3] 徐峰. 麥弗遜懸架下擺臂拓撲優(yōu)化設計[J]. 內(nèi)燃機與配件，2023（24）：59-61.

[4] 蔣詩新. 基于Creo平臺的汽車典型零部件低碳設計集成系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學，2017.

[5] 孫偉領. 鋁合金控制臂鍛造工藝優(yōu)化與數(shù)值分析[D]. 北京：機械科學研究總院，2019.

[6] GB/T 17358—2009，熱處理生產(chǎn)電耗計算和測定方法[S].

（編輯" 楊凱麟）