赵化刚，申伶，范学琼，张博

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

复合空气悬架用导向臂支架轻量化设计

赵化刚，申伶，范学琼，张博

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章基于catia结构设计，结合hyperworks等有限元分析软件，参考拓扑优化结果完成复合空气悬架用导向臂支架的轻量化设计。该方法对相关零部件的设计优化有一定参考价值。

导向臂支架；有限元分析；拓扑优化；轻量化

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-131-02

引言

随着国内快递物流运输的兴起，用户对车辆的轻量化、舒适性有了更高的要求，而复合空气悬架由于具有重量轻、舒适性好、悬架高度可调的特点而受到广泛关注。

为进一步体现复合空气悬架重量轻的优势，本文以该悬架系统中的导向臂支架作为研究对象，借助拓扑分析及有限元计算工具，进行轻量化设计。

1、现有结构结构强度及疲劳分析

导向臂支架需承受来自导向臂的纵向力、侧向力及扭转力矩，此支架的强度对整车行驶过程中的安全性有至关重要的影响。

1.1 有限元模型

如图1所示，采用HyperMesh对该支架进行网格划分，同时为模拟实际约束条件，通过截取部分车架，将导向臂支架通过螺栓与车架连接为一个整体。其中，车架总成采用面网格，导向臂支架采用体网格。

1.2 约束边界条件

对车架两端进行全约束，导向臂支架与车架之间采用10 条M14×1.5螺栓连接，在导向臂总成在导向臂支架处安装中心点加载。

图1 有限元模型

1.3 载荷边界条件

表1 工况及载荷

根据该支架在悬架系统中的作用，按以下四个工况进行加载分析：超载工况；重载急转弯；重载强制动；车架扭转。具体加载力见表1，数据提取于整车多体分析。

1.4 结构强度及疲劳分析

1.4.1 静强度分析

该支架所用材料为QT500-7 ，按以上约束及载荷条件，对原方案支架进行静强度分析。经分析，如图2所示，各工况安全系数分别为：3.79、9.05、3.39、1.54。

图2 原方案分析应力云图

2、拓扑优化

为达到轻量化设计目的，缩短设计周期，采用拓扑优化手段改变材料布局，从而实现不降低强度同时实现轻量化。

2.1 拓扑优化方法

目前常用的连续体拓扑优化方法有均匀化方法、变密度法和渐进结构优化法等。本文采用变密度法进行导向臂支架的拓扑优化，其基本思想是引入一种假想的密度在0~1之间的密度可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。

2.2 导向臂支架的优化设计

在HyperMesh 中把离散后的有限元模型划分成设计空间和非设计空间，定义设计变量、设计目标和约束条件，通过ptiStruct 求解器对拓扑模型进行优化计算，在HyperView 中进行后处理，最后利用RADIOSS求解器对重新设计的优化模型进行性能分析。

2.3 设计空间和非设计空间

将螺栓连接部位及导向臂安装部位设置为非设计空间，而设计空间是在保证零件之间不发生干涉的情况下以原结构为基础， 根据零部件与周围相连部件间的静态装配关系、运动关系等条件而确定的。基于以上原则且保证优化过程中的拓扑空间，完成该支架拓扑优化空间，如图3所示。

图3 拓扑优化模型

2.4 拓扑优化

该导向臂支架拓扑优化主要综合考虑3 种载荷工况下结构全局应力约束、关键点的位移约束和体积比约束等。模型全局应力约束上限值为280 MPa；设定导向臂支架的体积比上限为0.5，即最多保留拓扑模型总体积的50%； 保证优化后模型第1 阶频率不低于原结构；设定载荷集中点的位移约束为最大位移1.5 mm；考虑设计零件的可制造性，使用脱模方向约束创建拓扑优化设计变量，允许模具沿给定方向滑动。

2.5 拓扑结果

利用HyperWorks中的OptiStruct平台进行拓扑优化，图4为导向臂支架拓扑优化空间的材料密度分布云图。

图4 拓扑优化结果

根据拓扑优化结果，综合铸造工艺、设计经验，利用catia软件完成优化方案设计。

2.6 优化前后性能对比

按原方案约束及载荷边界条件对优化后的方案进行静强度分析，得到的优化方案应力云图见图5所示。

图5 优化方案应力云图

与原方案静强度进行对比分析，结果见表2所示。

表2 静强度安全系数对比

由表2可知，优化方案的安全系数虽较原方案均略有下降，但均不小于1，可满足使用要求。而作为本次优化的重点关注项目，优化方案实现降重19%，不仅成功实现降重目标，且提升了铸造工艺性及美观性，同时降低了装配工人的劳动强度。

[1] 杨银辉,上官望义,马生平,杨忠平,司震鹏.基于HyperWorks 导向臂支架的结构优化及改进设计.汽车实用技术,2014(10).

[2] 赵永辉,马力,王元良,等．自卸车举升机构三角臂拓扑优化设计.专用汽车.2007(9):33~34.

The Lightwight Design of Guiding arm bracket used in Hybrid air suspension

Zhao Huagang, Shen Ling, Fan Xueqiong, Zhang Bo
( Shaanxi Heavy Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Based catia design, combined hyperworks and other finite element analysis software, the reference topology optimization results complete air suspension with lightweight composite design guiding arm bracket. The method of design optimization related parts have a certain reference value.

guiding arm bracket; finite element analysis; topology optimization; lightweight

U462.1

A

1671-7988(2016)07-131-02

赵化刚，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，主要从事产品设计开发工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.041