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Altair2015技术大会论文集

拓扑优化技术在汽车铝合金三角臂开发中的应用

石朝亮王秋来王希诚张星红屈新田

(东风汽车公司技术中心,武汉,430058)

摘要:针对某乘用车悬架的三角臂结构,应用轻型的铝合金材料替代已量产的钢质材料方

案,在结构的概念设计阶段,基于三角臂的多工况工作环境,结合多体动力学仿真分析方法,

确定三角臂强度分析力的边界,运用惯性释放原理和OptiStruct拓扑优化技术,实现了三

角臂结构的轻量化设计。分析结果表明,铝合金三角臂结构模态、强度满足要求,且疲劳寿

命高于原有钢质材料方案,最终,该车型的悬架三角臂实现减重24.9%。

关键词:三角臂轻量化拓扑优化OptiStruct

Abstract:Inviewofthetrianglearmstructureofapassengercarsuspension,the

lightweightaluminumalloymaterialisappliedinsteadoforiginalsteelmaterial.Inthe

structureoftheconceptdesignstage,basedonthemultiworkingenvironmentofthe

trianglearm,combinedwithmulti-bodydynamicssimulationanalysismethodand

OptiStructtopologyoptimizationtechnology,thelightweightstructureoftriangulararmis

obtained.Theanalysisresultsshowthatthemodalandthestrengthofthealuminumalloy

trianglemeettherequirements,andthefatiguelifeishigherthanthatoftheoriginalsteel

material.Finally,theweightofthetrianglearmisreducedby24.9%.

Keywords:trianglearm,lightweight,topologicaloptimization,OptiStruct

1引言

轻量化作为节能减排的重要手段之一,不但可以减轻汽车重量、降低油耗、减轻排放污

染,也可以提高动力经济性、提高企业竞争力。此外,对底盘悬架件,尤其是对轮边零部件

进行轻量化,可有效减小车辆簧下质量,提高悬挂系统的动态响应能力以及车辆的操控性,

获得更好的乘坐舒适性。

目前国内外汽车结构轻量化的研究方向主要集中在两个方面:一是开发具有比模量和比

强度高的轻质高性能材料来替换原来的钢板材料;二是采用结构优化技术设计出轻量化结构

来取代原有结构。如果将轻质材料的应用与结构优化技术结合起来,则既能带来明显的减重

效果,又可以弥补设计人员轻质材料部件设计经验的不足。

本文针对某乘用车悬架的三角臂结构,应用轻型的铝合金材料替代已量产的钢质材料方

案,在结构的概念设计阶段,基于三角臂的多工况工作环境,结合多体动力学仿真分析方法,

确定三角臂强度分析力的边界,运用惯性释放原理和拓扑优化技术,实现了三角臂结构的轻

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Altair2015技术大会论文集

量化设计,材料最优分布基础上得到了较高的结构性能。

2分析工况确定

惯性释放的原理是先计算不平衡外力作用下结构的运动(加速度),通过惯性力构造一

个平衡的力系,它可以模拟无约束或约束不足系统的静态响应。通过求解有限元方法构造的

静动力平衡方程可得到各节点上为了维持平衡所需的节点加速度,进而得到各节点的惯性

力,把节点的惯性力作为外力再加到有限元单元的节点上,则可以构造一个自平衡力系。

在三角臂静力分析中引入惯性释放的方法,去掉支座,消除约束点的反力对变形和应力

状态的影响,将有助于得到更加合理和符合实际情况的计算结果,以便对三角臂结构的强度

进行更加合理的分析与评估。

根据整车参数、硬点数据、衬套参数等,建立悬架多体动力学模型,导入利用有限元方

法得到的底盘部件柔性体,包括三角臂、转向节等,最终形成柔性体的悬架模型。建立悬架

模型所需的各模板文件包括转向系统、悬架系统、横向稳定杆等,将建立好的模板文件生成

子系统,组装成悬架模型。如图1所示,为该车前悬架多体动力学模型。强度分析工况包括

垂直冲击工况、转向工况、倒车紧急制动工况、最大制动工况、最大加速工况、前进驻车

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