基于强度的扭力梁优化

许元洪　林贤坤　彭永东　苗明达　刘岳飞

摘 要：通过有限元软件HyperWorks对某汽车扭力梁在典型工况下的受力情况进行数值仿真，分析扭力梁在各个工况下的应力分布状况，最后根据分析结果对扭力梁进行相应的结构优化。结果表明：改进后扭力梁最大应力得到显著降低，且应力分布有明显改善，达到优化目的。

关键词：扭力梁；数值仿真；强度；应力分布；结构优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.017

1 引言

汽车后扭力梁是汽车底盘中的重要部件，主要承受汽车后轴在各个方向上传递给车架或车身的载荷。其性能的好坏直接影响汽车的舒适性和安全性。在汽车行驶过程中，后扭力梁除了容易产生弯曲和扭转等变形，还会在各载荷的激励下产生受迫振动，扭力梁的强度大小直接决定整车的使用寿命，所以对其强度大小进行分析是十分必要的。本文通过对某汽车扭力梁分别在侧向工况、制动工况下的强度进行分析计算，并对应力较大的部件进行结构优化，使其应力降低，达到优化的目的。

2 扭力梁的有限元分析

2.1 模型搭建

扭力梁包括衬套管、衬套管加强板、纵臂、横梁、弹簧座、减振器支架、轮毂安装支架、轮毂安装支架加强板等部件。实物中各部件之间通过焊缝进行连接，在模型搭建过程中用具有一定厚度的网格进行焊缝模拟，其中焊缝的厚度跟随两部件之中厚度较小的部件；采用具有刚性的rigids单元对轮毂进行模拟，对整个扭力梁采用混合类型的网格划分，搭建完成的有限元模型如图1所示。扭力梁所用材料为Steel，其弹性模量为2100MPa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3。

2.2 边界条件的建立

扭力梁的摆臂是通过两个衬套连接到车身上，约束载荷加载点分别为衬套管中心位置，轮心位置，轮毂与地面接触点位置。三个工况中分别约束衬套连接车身端XYZ三个方向上的平动；侧向工况中轮心左侧位置未约束，右侧位置约束XYZ方向的平动；制动工况中轮心左右位置约束Z方向上的平动。每个工况加载的情况不同，加载点不同，加载力的大小和方向也不同，侧向工况和制动工况施加力，侧向工况中施力点为轮胎接地点左侧，在Z轴方向上施加大小为6200N的力；制动工况中施力点为轮胎接地点左右两侧，在Z轴方向上施加大小为10300N的力。

3 仿真及结果分析

最后将设置完成后的有限元文件提交求解器OptiStruct进行检查计算，若有错误将停止检查，需要进行相应的修改，若没有错误将其提交进行分析计算，最后对扭力梁进行强度分析。

侧向工况中，扭力梁最大应力为420.89MPa，位于弹簧座位置，最大值大于材料屈服極限；制动工况中，扭力梁最大应力为456.76MPa，位于弹簧座位置，最大值大于材料屈服极限；各工况应力分布云图如图2所示。

由云图可知，在各个工况下，扭力梁所受到的最大应力是不相等，但是两个工况下的应力值均超过所用材料的屈服强度，扭力梁在工作的过程中会产生疲劳断裂，所以需要对扭力梁进行进一步的优化。

4 扭力梁结构优化设计

通过观察扭力梁的应力云图发现，应力较大处位于弹簧座处，而且超过弹簧座材料Steel的屈服强度380MPa，可知此处肯定产生疲劳开裂。因此，优化主要考虑弹簧座的结构以便扭力梁应力从之前的集中位置慢慢向其他位置过渡。设定如下优化方案，不改变其部件的厚度，将弹簧座直接与横梁相连部分省去，延长弹簧座一侧将其与纵臂搭接，并且增加弹簧座加强板连接弹簧座与横梁，优化前后结构如图3所示。将优化后的模型再次进行求解分析，结构优化后每个部件所受应力大小如图4所示。

由上图可知，在优化之后，扭力梁弹簧座应力有所下降，三个工况下部件9轮毂安装支架内加强板受力仍最小，且其余各部件在各个工况下的应力都在其所使用材料的屈服极限以下，满足材料所需要的要求。结构优化后的最大应力值与优化前最大应力值对比如表1所示。

由表可知，优化后模型在三种典型工况下最大应力值均满足扭力梁所用材料的最大屈服极限，并且三种工况下的应力符合扭力梁在实际应用的应力分布情况，同时三种载荷下的应力均下降，其中扭转工况下应力值降低较小。结构优化后的扭力梁应力值降低，满足强度使用要求，达到优化的目的。

本方案是在不改变厚度和其他结构的情况下，通过添加弹簧座加强板连接弹簧座与横梁的方法，降低最大应力值，达到提高结构钢度的目的。

5 结束语

本文以某汽车扭力梁为例，根据其在运行过程中所受载荷及载荷分配不均，结合台架实验中出现的问题，运用有限元软件HyperWorks建立扭力梁的有限元模型，进行强度分析和结构优化改进，具体结论如下：

a.在侧向和制动工况中，应力最大值不同，但是都超过了材料的屈服极限，在实际工况中扭力梁会因为应力过大而导致断裂。

b.通过增加弹簧座加强板以及修改弹簧座的搭接方式等方法可以明显降低最大应力提高扭力梁的刚度，消除了扭力梁的断裂隐患。

c.通过对侧向，扭转，制动三种典型工况分析可知，本优化方案具有实际的可操作性，对后扭力梁的优化及开发起到了重要的参考价值和借鉴意义。

d.利用有限元软件分析可以缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少实验的次数，保证产品的质量，具有十分重要的意义。

参考文献：

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作者简介：许元洪（1990-），男，河南周口人，硕士研究生在读，研究方向：汽车轻量化。