越野赛车双横臂悬架的多体动力学仿真与强度分析

陆润明，廖抒华，张旭，黎炯，覃紫莹

(广西科技大学汽车与交通学院，广西柳州 545000)

0 引言

悬架是现代汽车上的一个重要总成，它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来。其主要任务是在车轮和车架(或车身)之间传递所有的力和力矩，缓和由路面不平传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，控制车轮的运动规律，以保证汽车具有需要的平顺性和操纵稳定性[1]。悬架的轻量化设计对悬架的使用性能有一定的影响，在追求轻量化的同时应该保证悬架结构的可靠性。文中首先在ADAMS/Car中建立双横臂悬架的运动仿真模型，根据整车参数设定仿真环境，进行运动仿真分析，并从中提取悬架各铰接点的载荷。在HyperMesh中建立双横臂悬架分析模型，进行网格划分和网格优化，在单侧凸包、紧急制动、极限转向工况下对悬架做静态强度分析[7]，研究应力分布情况，为悬架后期的结构优化提供参考依据。

1 双横臂悬架多体动力学仿真模型的建立与仿真分析

从UG三维模型中提取悬架各硬点的坐标，利用各硬点坐标在ADAMS/Car中建立多体动力学仿真模型。轮毂与转向节通过旋转副连接，转向节通过球铰副与转向横拉杆连接，减振器下滑柱通过万向副与悬架下摆臂连接，减振器上滑柱通过万向副与车身子系统连接，转向节通过轴套分别与上、下控制臂连接，上、下控制臂通过旋转副与车架连接[2]，建立的多体动力学模型如图1所示。

图1 双横臂悬架多体动力学模型

选择单侧凸包、紧急制动、极限转向这3种悬架承受载荷较大的工况，分别对双横臂悬架进行特定工况下的仿真分析。根据整车质量、质心高度、侧倾中心高度、轴距、制动比例系数等整车参数，计算仿真时轮胎的边界条件加载，计算结果如表1所示。在仿真模型的载荷提取位置点处建立Request点，进行静载仿真，提取出悬架各位置点的载荷，如表2所示。

表1 ADAMS仿真中前轮轮胎边界条件加载

表2 各工况下前双横臂悬架各铰接点的载荷 N

2 双横臂悬架有限元分析模型的建立

从UG软件中完成三维建模后，将其导入到HyperMesh分析软件中进行网格划分、网格优化工作，建立有限元分析模型。正确选择网格参数(包括单元格长度、网格数量和网格疏密程度等)，把握好网格的几何形状的合理性，及时进行网格质量检查，能保证较高的计算精度和计算效率[3]。单元格尺寸的选择，考虑到其对网格数量和网格质量的影响，尺寸不宜过大，也不应该太小。尺寸过大会造成计算精度太低，从而忽略一些危险点的计算。尺寸太小网格的数量就会很多，计算时间会很长，降低了计算效率[9]。对网格数量的控制，确保在精度范围内，适当减少网格数量以减少计算时间。处理网格密度时，在应力集中的地方网格密度较大，如此求解精度高，同时还可提高计算结果的可信度[8]。综合考虑以上网格划分要素，并结合零件结构特点、零件形状和求解精度要求，转向节选择用四面体单元划分，悬架上、下控制臂用壳单元划分，单元尺寸为4 mm。对倒角和曲率变化的地方进行细化，提高有限元模型与几何模型的一致性[6]。建成上、下控制臂和转向节的有限元模型分别如图2、图3所示。上、下控制臂所用材料是4130钢，材料抗拉强度为930 MPa，屈服强度为785 MPa。转向节所用材料是7075Al，材料抗拉强度为542 MPa，屈服强度是455 MPa。

图2 上、下控制臂有限元模型

图3 转向节有限元模型

3 双横臂悬架强度分析

双横臂悬架拓扑结构如图4所示。转向节球头分别与上、下控制臂连接，减振器下滑柱与下控制臂连接。利用OptiStruct模块对双横臂悬架转向节和上、下控制臂进行强度分析。采用“惯性释放法”进行有限元分析，这样避免了边界条件对应力计算结果的影响，不会出现普通计算方法中约束点的反力引起的应力集中现象，这对车辆结构的强度分析是比较合理的[5]。

3.1 转向节强度分析

转向节是汽车转向系统的重要零件，传递并承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着来自路面的多变冲击载荷和力矩，转向节是确保汽车安全行驶的重要零件之一[4]。因此，要求它具有很高的强度，保证工作可靠性。转向节在单侧凸包、紧急制动、极限转向3种工况下的应力云图分别如图5—图7所示。

图4 双横臂悬架拓扑结构简图

图5 单侧凸包工况转向节应力云图

图6 紧急制动工况转向节应力云图

图7 极限转向工况转向节应力云图

3.2 悬架上、下控制臂强度分析

悬架控制臂是悬架的导向和支撑[10]，在悬架运动过程中，随车轮一起上下摆动。悬架上控制臂的受力主要是由于车轮跳动、汽车制动、转向工况下带来的纵向力、侧向力和力矩。悬架下控制臂除了承受上述的力和力矩之外，还有减振器的下压力。悬架控制臂对车轮定位参数有直接的影响，对悬架控制臂做强度校核，既保证悬架控制臂工作稳定性和可靠性，同时也保证汽车具有良好的行驶稳定性。悬架上、下控制臂在单侧凸包、紧急制动、极限转向3种工况下的应力云图如图8—图13所示。

图8 单侧凸包工况上控制臂应力云图

图9 单侧凸包工况下控制臂应力云图

图10 紧急制动工况上控制臂应力云图

图11 紧急制动工况下控制臂应力云图

图12 极限转向工况上控制臂应力云图

图13 极限转向工况下控制臂应力云图

通过以上分析结果可知：转向节最大应力为78.59 MPa，最大应力远小于其制造材料(7075Al)的屈服强度和抗拉强度，最大应力出现在轮芯附近，不会出现零件变形情况，满足设计要求；悬架上控制臂最大应力为164.4 MPa，悬架下控制臂最大应力为638.7 MPa，最大应力也远小于其制造材料(4130钢)的屈服强度和抗拉强度，上、下控制臂的最大应力出现在减振器与下控制臂的连接处，出现应力集中且应力数值较大，后期结构优化应该对下控制臂的薄弱处进行结构强化，保证悬架的工作可靠性。

4 结束语

双横臂悬架通过在ADAMS/Car中进行不同工况下的运动仿真，得出各铰接点的运动载荷，再由HyperMesh分析软件对双横臂悬架转向节、上下控制臂的强度分析，获得各工况下强度校核情况和零件结构的薄弱处，从而为结构优化工作提供参考依据。同时可根据各部件的应力分布情况，对各部件进行结构轻量化设计，提高零部件设计的合理性。