基于HyperWorks 的汽车转向节轻量化设计

柳玉升

（福建船政交通职业学院）

随着汽车技术的发展，汽车轻量化设计开始在汽车发展中占有重要地位，它既可以提高车辆的动力性、降低成本，又能减少能源消耗和污染[1]。新能源汽车受续航能力、能耗与补贴等因素影响，对轻量化的要求尤其高。但是，汽车轻量化设计却是一把双刃剑，它在减轻汽车质量的同时，也牺牲了车辆的强度和刚度，而转向节是汽车悬架中的重要零部件，对转向节的强度、抗冲击性能以及可靠性方面都有很高的要求，因此在转向节轻量化设计时需考虑转向节的强度性能是否满足要求[2]。为此文章基于HyperWorks，采用惯性释放的仿真方法，计算出垂向工况、前行制动工况、倒车制动工况等应力分布，通过强度分析，围绕材料、结构和工艺等展开转向节轻量化设计。

1 基础模型有限元模型建立及分析

转向节通过衬套及螺栓与车身相连，通过法兰盘、轮毂与车轮连接，在受不同载荷的工况中，转向节相对于车身运动，它并非处于静止平衡状态，难以得到一个完全平衡的外载荷力系，在有限元分析中利用约束加载法并不能更真实地模拟实际边界条件，为此可以使用惯性释放法对转向节进行分析[3]。由于整车有限元模型的计算量太庞大，导致计算时间过长，因此仅选取转向节模型与整车相连的各硬点在整车工况下的载荷作为输入载荷，单独对转向节模型进行有限元分析。利用HyperWorks 的OptiStruct 模块，采用惯性释放的方法计算出转向节承受各工况载荷下的应力，各硬点处加载各工况载荷由多体动力学分解得出，选择刹车、转向、刹车＋转向、垂向等共计10 个典型工况[4]，以一款满载质量为2 085 kg 的SUV 为例进行分析。

1.1 有限元模型建模

利用HyperMesh 的CAD 模型建立转向节有限元模型。转向节采用实体单元TERTA 4 进行网格划分，衬套采用CBUSH 单元进行模拟，转向节上各连接硬点用REB2 单元进行连接。整个有限元模型单元总数为58 372，节点总数为96 734。采用二阶四面体单元[5]。原始结构，如图1 所示。有限元模型，如图2 所示。有限元模型信息，如表1 所示。

图1 转向节几何模型图

图2 转向节有限元模型

表1 转向节有限元模型信息

1.2 材料属性

计算中所使用的材料参数[6]，如表2 所示。

表2 转向节材料参数

1.3 分析工况

为准确分析转向节的强度，需要在不同工况下分析转向节的受力情况。常见的工况类型有通过不平路面的冲击载荷、紧急制动产生的制动力、纵向冲击及在转向时产生的侧向冲击力。在汽车高速行驶时，转向节受到路面的各种冲击是分析时需要考虑的主要因素。为了能够实际反映汽车在各种路况中的转向节受力情况，选择垂向、转向、刹车、前冲以及后冲等典型工况进行分析。Fx，Fy，Fz分别代表向后、向内和向上的力，各轮转向节分析工况，如表3 所示。左前转向节工况加载，如图3 所示。

表3 各轮转向节分析工况 N

图3 左前转向节工况加载

1.4 各工况分析结果

转向节在各工况下的分析结果，如表4 所示。在各工况下的应力云图，如图4 所示。在左转工况和左转制动工况下的最大应力分别为380.01 MPa 和309.58 MPa，未超过转向节材料QT500 的屈服极限405 MPa，且其余工况的最大应力为188.63 MPa，远小于材料的屈服极限，安全系数较大，因此轻量化可考虑将材料和结构优化相结合。

表4 转向节分析结果 MPa

图4 转向节在不同工况下应力云图显示界面

2 模型优化及分析

2.1 优化方案

目前轻量化技术主要有4 种：新结构、新材料、新工艺、新方法[7]，由于转向节模型采用实体单元建模，其优化目的是在给定的设计空间内找到最优的材料和最合理的结构分布，所以文章采用新材料和新结构相结合的方式实现轻量化。从图4 可以看出，转向节整体应力较小，远小于所使用的铸铁材料屈服极限，可见实现轻量化在材料上仍有调整的空间，因此可以在结构优化的基础上考虑将材料改为铝合金。结构应力主要集中在螺栓孔、圆角过小及局部过于单薄之处，而有些区域承受应力较小，可以适当调整结构、减薄材料，因此采取以下方案进行优化：1）将材料由铸铁QT500 改为铝合金6082；2）增加螺栓孔的平面宽度，减小局部应力集中；3）将平滑度不足的区域重构模型使过渡平滑；4）在承受应力小的横向拉杆球头摆臂及仰角位置适当减小结构体积及厚度，并增加拉筋和加大圆角。

按以上方案对转向节模型进行拓扑优化及模型重构，优化前后模型，如图5 所示。除局部调整外，总体模型差别不大，但经过材料更换及局部结构优化，转向节的质量由5.3 kg 减少至3.1 kg，极大程度实现了轻量化的目标。铝合金材料参数，如表5 所示。

图5 优化前后的转向节模型

表5 铝合金材料参数

2.2 优化后的分析结果

优化后的应力分析，如图6 所示。优化后的最大应力为186.96 MPa，小于转向节材料铝合金6082 的屈服强度260 MPa，并且满足安全使用系数，因此文章通过采用材料和结构优化相结合的轻量化方案，使转向节在各工况下满足强度要求，该方案具有可行性。

图6 优化后转向节不同工况下应力云图显示界面

3 结论

采用HyperWorks 的有限元分析技术对转向节进行建模分析与优化后完成轻量化设计，可以得出：

1）基于HyperWorks 的惯性释放方法计算转向节各工况应力，通过改变结构和材料的方式，最终可以得到较为理想的转向节轻量化方案。通过文章案例可以清楚地看到优化方案质量较之前减轻了41.5%，转向节质量由原先的5.3 kg 减轻到3.1 kg，达到了期望的优化效果。

2）通过该分析实例，说明基于HyperWorks 的结构分析对汽车轻量化的研究具有实际工程运用意义，不仅有效实现了转向节轻量化，同时通过优化降低应力至186.96 MPa，满足了新材料屈服极限，保证轻量化后转向节的可靠性，可有效缩短轻量化设计周期并指导设计。

3）实际行车时转向节承受的载荷更多为随机载荷，需注意疲劳破坏，故后续有必要对转向节进行动态分析及试验验证。