汽車轉向節位置度綜合檢具的設計方法

沈文華

（河北億利康納利亞環?？萍加邢薰?河北 邢臺 054800）

引言

參考整車硬點、周邊布置需求、設計經驗等完成了某汽車轉向節臂方案設計，但出現了材料利用率不高、重量偏重、成型困難等問題，通過設計經驗進行結構優化不僅周期較長、效率較低、工作重復，而且難達到預期的輕量化目標。通過采用結構拓撲優化技術進行轉向節臂設計，可以根據指定的結構優化目標自動采用材料利用效率高的結構基本特征，指導完成后續的轉向節臂方案優化設計[1]。

1 拓撲優化有限元模型建立

1.1 優化前模型與網格劃分

根據配接尺寸及周邊布置要求建立一個具有較大優化設計區域的模型（優化前模型，重量11.042 kg），并采用 Hypermesh 進行網格劃分，采用四面體網格，單元類型為 C3D4，網格大小為6 mm，如圖 1 所示。在優化過程中，轉向節臂與轉向節、轉向拉桿球銷連接部位均為不可改變的非設計區域，中間部位為設計區域[2]。

1.2 邊界及加載

轉向拉桿球銷傳遞的力通過球銷硬點與轉向節臂球銷錐面建立剛性連接單元（rigid）進行加載，轉向節臂與轉向節固定位置通過安裝面、螺栓孔建立約束模擬相應載荷[3]。

1.3 載荷工況選取

進行拓撲優化之前，需要考慮得到哪方面性能最優情況的材料分布結果[1]20。轉向節臂在典型工況中，轉向拉桿球銷硬點承受側向（Y向）載荷較大，縱向（X 向）、垂向（Z 向）載荷相對較小，將各工況中各向最大載荷同時作用于該模型[4]。

1.4 材料屬性

轉向節臂采用合金鋼材料40Cr，其彈性模量為210 000 MPa，泊松比為 0.3，屈服強度為 785 MPa，抗拉強度為1 080 MPa。

1.5 優化前有限元模型分析

將有限元模型（inp 文件）導入 ABAQUS/CAE中進行強度分析。優化前轉向節臂的最大應力為261.7 MPa，最大位移為 0.6 mm，位于轉向拉桿球銷球心，如圖 2、圖3 所示。

1.6 拓撲優化模型建立

拓撲優化指分析過程中不斷修改模型中設計區域的單元材料性質，有效地從分析模型中移走/增加單元而獲得最優的設計目標。采用 ABAQUS/ CAE 及拓撲優化模塊對完成分析的優化前有限元模型進行拓撲優化設置，建立拓撲優化模型。具體過程為：（1）創建優化任務；（2）創建應變能的設計響應；（3）創建最小應變能目標函數和 60%體積優化目標（設計區域減重約 3kg）約束函數，其中，最小化應變能即為最大化全局剛度，在模型初始計算強度結果條件下，剛度基本保持不變；（4）創建優化進程，提交分析[5]。

2 轉向節臂拓撲優化結果

經19次迭代優化后，設計區域達到體積約束要求，即停止計算。圖4、圖5為第5次、第19次迭代優化后的設計區域網格情況及應力情況，可以看出，通過嘗試從轉向節臂下部不斷去除設計區域內部材料，設計區域應力分布圖基本一致，滿足約束目標要求。圖6、圖7為優化模型第19次迭代后所有區域應力、位移分布圖。最大應力為312.5MPa，最大位移為0.951mm，位于轉向拉桿球銷球心。

3 轉向節臂優化結果對比

分別對上下拔模模型和左右分模模型進行載荷下的有限元強度分析，前者的最大應力位于頭部錐孔大端，后者的最大應力位于轉向節臂后部本體處。上下拔模較左右分模減重效果更為明顯，且最大應力、最大位移也更優。

4 結語

通過對某汽車轉向節臂進行基于拓撲優化的輕量化設計，分析和介紹了轉向節臂結構拓撲優化模型的建立方法，得到了基于初始模型的減重方向，并完成減重方案的設計與對比分析，可以有效指導并應用于后續類似轉向結構節臂的輕量化設計工作。