轿车副车架强度可靠性分析及优化

袁德文 陈双喜

摘 要： 轿车副车架强度可靠性影响着汽车使用安全，因此本文主要针对轿车副车架的强度进行评估，分析其可靠性，针对分析结构进行优化。

关键词： 轿车副车架；强度；可靠性；优化

随着社会的发展和科技的进步，现阶段的我们不同于以往，生活条件越来越好，在代步工具的选择上，人们不仅仅局限于其代步功能，对其他方面的需求也在激增。现阶段传统意义上的悬架系统已经满足不了人们的需求，由于传统的悬架系统是将构建好的架子直接连在车上，这会存在车中振动明显以及噪音大的缺陷，进而使得车子的整体性能降低不利于用户良好的体验，基于此问题，人们对此进行创新改进，通过在二者之间加入副车架减轻振动及噪声，进而提高汽车使用的舒适程度。以往副车架通常配置在D级豪华车中，发展到现阶段为止A级私家车中也常会配置该装备。社会的高速发展使得大部分的家庭都会配备私家车，对于汽车而言安全永远位于第一位。所以在设计汽车的时候必须从安全第一的角度出发对汽车进行改进设计，进而提高汽车的其他性能。副车架是其中必不可少的设备，因此副车架的安全性设计也是非常重要的。

1.副车架分类及功能

1.1副车架分类

从多种角度上而言，副车架有很多种分类方法，现阶段主要有以下两种方式：

1）依据悬架与车架的连接方式的不同分为：

全承载式副车架：全承载顾名思义悬架上的所有部分都和副车架相连接，进而再与车体相连。这种方式通过在副车架与悬架中间使用橡胶制品减少在实际使用中的振动进而起到减震的作用，从而使得车子的舒适程度有所提升，提高车子的性能。

半承载式副车架：半承载式也就是悬架与副车架接近一半的部位是直接相连的，其余部位通过悬架中有缓冲作用的部件进行连接，这种连接方式能够在保证车身的稳定性的同时减轻振动，提高车子的整体性能。

2）按构成副车架材料不同分为：

钢制材料：硬度高，价格适中。

铝制材料：重量小、柔韧性好、具有耐腐蚀性。

碳纤维材料：质量轻、强度高、耐腐蚀

新型复合材料：加工工艺步骤少、质量轻、耐腐蚀

1.2副车架功能

副车架中的底盘是其重要组成部分之一，针对底盘的性能，我们通常会考虑其舒适程度以及底盘操作性。但是这两种性能是此消彼长的，并不能保证其二者都处于较高的水平，因此，在设计过程中，应将二者控制在恰当的水平，进而保证底盘的舒适度以及操作性，从而减弱噪声提高缓冲。

副车架对改善与悬架相连的刚度等因素具有重要的意义，因此我们可以调节副车架进而对车子的舒适程度以及可操作性能进行调节适应。悬架散件通常情况下预先配置在副车架上，输入车子内部的部件，最后再将其配置到车上。这种使用方案能够度悬架的总体性能进行改造，进而能够符合不同安装平台的要求，进而节约改进成本，有助于技术的最大化使用。

2 副车架强度分析问题的提出

汽车的动力系统是其启动运行的重要前提。因此，有关设计者在原车型的基础上进行动力系统的整体改进，在换了一款新的发动机后进行实验，在行驶了6000多公里路之后，汽车的副车架出现了明显的坏裂的痕迹，开裂位置为车体与摆臂相连的位置，在换了新发动机之后，其动力性明显提升，因为没有对该车进行实际道路载荷试验，因此没有分析车子的疲劳性，而是仅仅分析了副车架的承载能力。

3 有限元模型的建立

副车架使用的是抗液压能力的板材以及通过钢板冲压而形成的附件焊结构，使用4个竖直的橡胶衬套相结合，竖直的摆臂与上下的摆臂都是与副车架直接相连的，进而建立三维如图1所示，进而把建构的模型导出STF，转换格式后传递进HypcrMcsh中，通过模型建构，使得冲压部件转化为壳体，同时使用Shc中的相关模块对其进行相关的划分，将其划分为边长为3mm正方形以及部分三角形单元网格，其中能够得到70336个单元节点，以及38432个单元，其中正方形网格655个，三角形网格2917个，此副车架使用的材料为：材料钢，屈服极限420Pa，弹性模量210GMPa，泊松比0.3，密度7800kg.m-3。

4 动力学计算工况载荷

如图1所示的刚柔耦合前悬架动力学模型，由于悬架的主要结构是带扭杆形的结构。其中包括控制臂、缓震装置、扭杆、副车架、稳定杆、发动机动力总成等。该模型的副车架模型所使用柔性体，通过软件NASTRAN动态模拟计算的出中性文件MNF。使用中向其中输入所需要的各项数据以及实际工况，进而得到各项工况的结果；在实际使用软件时应充分考虑到发动机的功率的不稳定性所导致的实际情况的改变，进而计算出发动机能够输出的最大扭矩工况，得到悬置受力。在之后的情况分析时也建立了发动机悬置模型，进而模拟出发动机的输出力矩。

5.副车架结构优化设计

5.1优化理论

拓扑优化是结构材料的空与实的问题，其基本思路是人为引入一种假想的密度可变材料，优化时以材料密度为设计变量，将结构拓扑优化问题转换为材料分布问题。变密度法是连续体拓扑优化常用的方法。在优化的过程中，每一个单元对应一个优化变量，通过不断的改变优化变量的取舍，使中间密度值尽可能的在空和实之间分布，使连续变量的拓扑优化模型能更好的逼近离散变量的优化模型队采用的变密度拓扑优化方法。为了更好的改善副车架的模态特性，如果将其一阶频率值最大作为目标函数，在优化迭代的过程中，由于结构材料分布，当一阶频率达到最大时，其它各阶模态频率的大小和振型也将随之改变，频率阶数可能相互调换次序，引起模态振荡现象，从而干扰模型求解收敛结果，也影响优化迭代过程中的收敛性和稳定性。为避免这种现象，采用平均频率四公式，来定义优化目标函数，基于频率建立拓扑优化数学模型：

5.2具体优化策略

（1）改进材料，减轻副车架质量；

（2）增加焊缝；

（3）检查焊缝质量，保证副车架稳定性。

5.3优化步骤

利用HyperWork、中的OptiStruct模块的对轿车的副车架进行拓扑优化设计。首先要确定优化过程中的设计变量、优化目标和约束函数。由于拓扑优化的函数公式在。ptiStruct中不能直接调用，可利用该软件中的自定义方程功能，先定义平均频率公式，然后再把定义好的函数设为响应，最后把该响应作为拓扑优化的目标函数、在。ptiStruct中建立拓扑优化计算模型。

（1）将优化设计空间的每一个单元相对密度ρ作为设计变量。

（2）体积分数η<80%和最大应力作为二σnax< 400MPa约束、

（3）平均频率最大化作为目标函数。

5.4优化结果分析

将修改好的副车架模型在HypcrWork、中进行静力分析，得到三種工况下的静力云图，其中应力最大的Bump工况，优化后的Bump工况下副车架总成Von-mists等效应力最大值为356.1 MPa，与优化前相比较有显微的增加，但远小于材料的最大许用应力420MPa，说明优化后的副车架结构力学性能表现较好。

结论

通过建立包含有副车架刚柔耦合的动力学模型，进行各种典型工况的动力学分析，为计算分析副车架的结构强度提供边界载荷，再根据有限元分析计算出副车架结构强度应力分布情况，为产品设计人员提出改进方案，优化产品结构提供一定的参考依据，并取得良好的效果。

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