一體壓鑄式副車架創新優化設計

李 建， 韓明亮， 孫志賓， 王永彬

（魏橋國科（濱州）科學工程產業技術研究院， 山東濱州 256600）

0 引言

副車架作為汽車底盤結構的核心組成部分， 起到了承載和隔振的作用[1]。其優化設計旨在提升汽車的結構強度、剛度和安全等性能，并實現降重。 本文將探討副車架結構優化設計的具體技術路線， 以期為副車架結構設計供有價值的參考。

結構優化設計是指通過利用計算機技術和數值仿真方法，以特定的目標和約束條件為基礎，對工程結構的形狀、尺寸、材料等進行優化的過程。 其目的是在滿足設計要求的前提下，最大程度的實現結構的輕量化、提高結構的相關性能指標。 結構優化根據不同設計階段的需求衍生出了拓撲優化、尺寸優化、形貌優化、形狀優化等不同的優化技術方法[2]。

本文的優化對象為拼焊式副車架， 在綜合考慮新產品的優化目標后將優化方向確定為一體壓鑄式副車架。一體壓鑄式副車架在結構和工藝方面具有強度高、 質量輕、焊縫少、制造成本低和穩定性高等優勢。

1 優化目標提取

副車架的設計包含強度、剛度、NVH、模態和碰撞等性能指標。 分別對標桿件（拼焊式副車架）進行有限元分析，將各性能指標分析結果作為優化指標。

1.1 拼焊式副車架強度分析

為獲取副車架的強度工況的輸入， 在多體動力學分析軟件中搭建多剛體模型并進行運動學分析， 提取副車架各接附點載荷信息，載荷信息如圖1 所示。將獲取的載荷輸入到副車架的有限元模型中采用慣性釋放的方式進行強度的分析。 考慮到后期結構優化的實際需求將工況1、工況5、工況6、工況9 四個包絡工況組作為強度指標進行提取。

圖1 包絡工況強度加載

4 個包絡工況應力云圖如圖2 所示。為方便對比將4 個強度工況的應力極值統計到表1 中。

表1 拼焊式副車架強度計算結果

1.2 拼焊式副車架剛度和模態

剛度工況計算：在下擺臂、電機、轉向機、橫向穩定桿接附點施加三項載荷， 約束車身懸置安裝點。各接附點和約束信息如圖3 所示。計算并記錄剛度值如表2 所示。 在車身連接點約束6 向自由度，計算約束模態如圖4 所示，記錄前3 階模態結果如表3 所示。各接附點三向剛度計算結果如表2 所示。

表2 拼焊式副車架剛度

表3 拼焊式副車架前3 階模態結果

圖3 各接附點信息

圖4 拼焊式副車架模態云圖

1.3 拼焊式副車架動剛度

根據各安裝點的實際連接方式選取下擺臂和電機安裝點進行動剛度的計算和性能目標的提取， 計算結果如圖5 所示。 將計算結果匯總到表4 中。

表4 拼焊式副車架各接附點動剛度

圖5 拼焊式副車架動剛度

2 副車架結構優化

副車架的結構優化分為兩個階段，第一個階段進行拓撲優化，重新規劃結構的載荷傳遞路徑，提升副車架的性能；第二階段進行參數優化，優化材料的厚度布局實現副車架的輕量化。

2.1 副車架拓撲優化

2.1.1 拓撲優化的基本原理

拓撲優化是一種通過改變結構形狀和布局進行優化設計的技術。拓撲優化方法主要有均勻化方法、 變密度法、 漸進結構優化法、水平集方法等[3]。 其中變密度法基本原理是將設計域分割為許多小單元，每個單元可以有不同的偽材料密度。然后通過迭代計算，在滿足約束條件下，將材料從不需要的區域轉移到需要的區域，以實現剛度、質量、模態等優化目標。

2.1.2 數學模型搭建

副車架的優化涉及到剛度、 強度、 動剛度和模態指標，按照優化策略不同可分為兩大類，其中剛度、強度和模態可歸一化為柔度最小目標，動剛度以質量最小目標。建立各自目標的約束集，使用MMO 技術將兩個優化結果進行疊加獲得結構最佳的副車架結構。 根據上述描述將優化的數學模型搭建為：

兩個獨立的歸一化目標中，Wx表示目標柔度值，x 表示各體積優化變量，Mx表示目標總質量，x 表示各質量優化變量。 柔度歸一化約束函數用體積分數Vx小于設定的目標值Vm和最大應力Sx小于設定的目標值Sm表示[4]。質量歸一化目標函數使用加權IPI 進行第二類響應約束。

MMO 優化采用并行技術將不同目標或者相似類型的優化進行復合， 優化后可以獲得符合多類型性能要求的結構。 MMO 通過主控文件調用兩個不同目標fem 文件，本次優化使用的主控文件如下所示：

主控文件中，static.fem 調用的是剛強度優化結果，dynamic.fem 調用的是動剛度優化的結果， 調用4 線程進行優化。

2.1.3 優化結果及解讀

經過多輪的工藝和參數調整后獲得理想的副車架優化結果如圖6 所示。從優化結果可以看出，新副車架以單向拔模起筋的方式進行結構的布置， 符合一體壓鑄設計思路。 優化結果清晰，載荷傳遞路徑合理。 將優化結果進行解讀和重塑如圖7 所示。

圖6 副車架結構優化結果

圖7 副車架結構重塑

2.2 副車架參數優化

經過拓撲優化獲得了合理的副車架結構， 為了獲得一款厚度分布合理、 輕量化的副車架結構對新結構進行尺寸參數優化。

為獲得尺寸變化的極限結果，將副車架的外輪廓和所有加強筋完全離散化， 根據工藝要求設置優化上下限的百分比。 離散化共獲得32 個設計變量，優化目標和約束的設置與拓撲優化保持一致。 獲得最終的優化結果如圖8 所示，將優化結果更新到模型中完成新結構的最終設計。

圖8 副車架尺寸優化

3 新結構驗證

按照相同的建模標準和計算工況對一體壓鑄式副車架進行全面分析， 將分析結果與拼焊式副車架進行對比以確保新結構設計的合理性。

3.1 一體壓鑄式副車架強度分析及對比

新結構4 個包絡強度工況如圖9 所示， 將計算結果與拼焊式副車架進行比對如表5 所示。 從計算結果可以看出，一體壓鑄式副車架最大應力（工況4）降低了153.2MPa，強度提升了48.1%。

表5 一體壓鑄式副車架強度計算結果

圖9 一體壓鑄式副車架應力云圖

3.2 一體壓鑄式副車架剛度和模態分析及對比

一體壓鑄式副車架模態分析結果如圖10 所示，將模態分析結果統計到表6 中。 從模態分析結果的對比可以看出，一體壓鑄式副車架一階模態提升了16.5%。 各接附點的剛度分析結果及對比如表7 所示， 從分析結果可以看出各接附點的剛度也實現了不同程度提升。

表6 一體壓鑄式副車架前3 階模態及對比

表7 一體壓鑄式副車架剛度及對比

圖10 新副車架模態云圖

3.3 新結構動剛度分析及對比

新結構動剛度分析的結果如圖11 所示，將計算結果統計到表8 中并與基礎模型進行對比。經對比可以看出，新結構的動剛度有不同程度的提升， 其中擺臂2 接附點提升達到了3.2 倍。

表8 一體壓鑄式副車架動剛度及對比

圖11 一體壓鑄式副車架動剛度

3.4 重量及成本對比

對結構優化后的副車架進一步就連接工藝進行優化，將基礎結構和新結構成本及重量結果統計到表9 和表10 中。 通過對拼焊式副車架和一體壓鑄式副車架全面分析對比可以看出，一體壓鑄式副車架具有全面的重量和成本優勢。 一體壓鑄式副車架重量相較于拼焊式副車架降低2.03kg， 降低了16.3%； 成本降低了41.62 元， 降低了8.6%。

表9 拼焊式副車架重量及成本核算

表10 一體壓鑄式副車架重量及成本核算

4 結論

（1）副車架性能提升。 在副車架優化設計中，引入了參數化優化方法。 通過優化副車架加強筋及外輪廓的厚度，成功提高了副車架的剛度、動剛度和模態。 副車架動剛度的提升可以有效減少車身的扭曲變形， 提升了行駛穩定性和乘坐舒適性。從本文的優化中可以看出，輕量化的同時也具備性能提升的可能性， 因此更合理的結構設計是提升副車架性價比的重要途徑。

（2）副車架結構輕量化。 通過拓撲優化，成功實現了副車架的輕量化設計。 與傳統設計相比，在滿足剛度、強度、動剛度和模態等性能的前提下新設計的副車架重量減少了16.3%。將結構、工藝和材料三大輕量化方法進行了全面應用，形成了一套完整的輕量化技術路線以供同行業進行參考。

（3）副車架工藝輕量化及降本。將拼焊式副車架改為一體壓鑄式副車架，大大減少了加工工序，無焊合的結構形式提升了結構的強度。通過進一步優化連接方式，新副車架實現了進一步降本。

副車架結構優化設計是現代汽車工程領域的重要課題之一。通過拓撲優化、材料優化和結構參數優化等方法的綜合應用，可以有效提高副車架的結構性能，并滿足汽車制造業對于輕量化、安全性和經濟性的要求。 未來，隨著科技的發展和計算機技術的進步， 副車架優化設計將在汽車工程中扮演更加重要的角色，為實現智能、綠色和可持續發展的汽車制造做出貢獻。