基于拓扑优化的液压成形管件扭力梁设计研究

逯若东　陈新平　胡晓

摘 要：液压成形工艺适宜于生产空心变截面轻体管件，应用于汽车底盘扭力梁零件可以获得更好的刚度、强度等性能，因此近年来得到越来越广泛的应用。文章建立了变截面线长液压成形管件扭力梁正向设计思路及流程，基于设计空间和设计目标开展拓扑分析分析，在此基础上设计了扭力梁概念模型，结合拓扑分析及敏感参数影响研究在概念模型基础上进行了多轮细化设计，获得了满足设计目标要求的变截面线长液压成形管件扭力梁设计，成形仿真分析显示，设计零件满足可成形性要求。

关键词：液压成形;扭力梁;正向设计;拓扑分析

中圖分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-56-04

前言

扭力梁是汽车底盘半独立后悬架主体零件，直接影响整车的操控性、平稳性及安全性。扭力梁可以采用冲压焊接设计或管件设计，与冲压焊接设计相比，管件设计具有封闭截面，性能更优，因此，在性能相当的条件下，采用管件设计为实现轻量化提供了可能，一般具有10%以上减重效果[1，2]。

管件扭力梁可以采用管冲压工艺或液压成形工艺，液压成形工艺通过在管内充入高压液体，可以将管件胀形为不同截面形状及不同截面线长变化，而管冲压工艺仅可以实现不同截面形状变化，且由于无法在管内提供有效支撑，零件形状尺寸精度较差[3，4]。

本文根据汽车厂要求的设计目标及设计空间，开展了液压成形管件扭力梁正向设计研究，首先在设计空间内开展拓扑分析，通过拓扑分析解读设计了概念模型，对概念模型进行了动力学及强度分析，基于等效梁模型开展了设计参数的敏感度分析研究，在此基础上，经过多轮优化完成详细设计，达到设计目标。通过工艺分析，设计方案满足可成形性要求，为汽车扭力梁零件正向设计提供了参考。

1 设计目标及设计空间

某汽车用户基于标杆车分析，提出扭力梁悬架动力学性能目标如表1所示[5]。对强度性能，要求各部件满足侧向力、制动、交替轮跳等8种工况强度要求，根据前期开发经验，一般在交替垂跳工况下容易发生开裂，因此极限工况重点考察交替轮跳工况，要求最大强度小于0.6倍材料抗拉强度，扭力梁悬架设计重量小于20kg。

设计空间要求如图1所示，综合考虑扭力梁跳动以及与油箱、排气管、底板等部件不发生干涉，参考市场上竞标车型及车型总布置定义了套筒和车轮安装板位置，重点设计对象液压成形管件扭力梁，其他零件设计参考竞标车型。

2 液压成形管件扭力梁正向设计

2.1 正向设计流程及思路

液压成形管件扭力梁正向设计流程思路如图2所示，设计思路为首先使动力学性能需要满足设计目标，因为动力学性能与悬架整体设计相关，如扭力梁前后位置、截面尺寸、空间走向等，局部细节设计对动力学性能影响较小。整体结构定义后再进行局部细化，改善强度性能。

2.2 设计空间内拓扑分析及解读

拓扑分析以各工况动力学性能作为约束，体积分数0.05，优化目标为设置各工况柔度最小。

优化结果如图3所示，虽然材料分布仍然呈片状，但综合考虑管件扭力梁轻量化效果，以及工程实践中相对冲压片状扭力梁更好的刚度、强度性能，扭力梁采用管状设计。材料主要分布在上下面，在后表面也有部分力的支撑，根据该材料分布特定，确定后续扭力梁设计采用开口向前方式。此外，通过拓扑分析，扭力梁特征为端部宽，中间窄，该材料分布特点体现了扭力梁变截面线长设计有利于动力学性能提升，同时在端部与纵臂相连处增大截面线长也有利于提升扭力梁与纵臂管管间焊接强度[6]。对其他零件，参考竞标车型开展设计，根据优化结果初步确定纵臂走向及弹簧座位置，根据弹簧座位置初步确定扭力梁前后位置。拓扑分析为后续扭力梁概念设计及细化设计提供了设计基础。扭力梁细化设计是一个逐步优化的过程，按设计思路首先通过整体结构及形状优化改善动力学指标，之后通过局部细节优化降低局部应力集中。

2.3 概念模型设计及性能分析

根据对拓扑分析结果解读，在CAD软件中进行概念模型设计，扭力梁悬架概念设计及各部件名称如图4所示。如图5所示，扭力梁设计可以分解为中间定截面段、端部和过渡段。中间段截面相同、端部截面相同，通过过渡段平顺连接。

管件扭力梁主要特征参数如下：开口向前，开口角度为50°，中间定截面段长度占比50%。中间定截面段截面线长178mm，端部截面线长215mm，相对中间段截面线长增加20%。扭力梁选材BR440/590HE，厚度3.2mm。

扭力梁悬架概念设计质量21.4Kg，对概念设计进行动力学及强度分析，动力学性能如表2所示，指标3、5、7、11、12不满足要求，主要对应侧向力工况下的刚度和车轮转角，尤其是侧倾转向指标为负值，该指标对车辆的不足转向性能很不利，在细化设计阶段重点改善。强度分析表明扭力梁及其他部件满足要求，交替轮跳工况下扭力梁强度分析如图6所示，最大应力253MPa，BR440/590HE抗拉强度625MPa，最大应力小于0.6倍材料抗拉强度，满足要求。最大应力点在过渡段V型上R角部位，与工程上扭力梁台架及路试试验最容易发生疲劳开裂区域一致。

2.4 液压成形管件扭力梁细化设计

扭力梁细化设计是一个逐步优化的过程，按设计思路首先通过整体结构及形状优化改善动力学指标，之后通过局部细节优化降低局部应力集中。

基于概念模型建立等效简化梁模型开展设计参数的敏感度分析，结合设计参数的敏感度分析及拓扑优化分析对概念模型开展细化设计。

研究发现，扭力梁空间弯曲及增大V型段开口角度对改善概念模型侧倾转向有较大帮助，此外，通过端部截面线长增长率、中间定截面段比例优化、壁厚优化等逐步改善各动力学性能指标，使动力学性能达标。

在细化设计改善动力学性能的过程中，局部应力增大较多，应力最大值仍在过渡段，在保持过渡段平顺性条件下，通过增大过渡段截面线长降低应力集中[7]。最终设计如图7所示，悬架总重量19.5Kg，如表3所示，各动力学性能达标，最大应力248MPa，如图8所示。

3 液压成形扭力梁可成形性分析

针对设计的扭力梁开展了可成形性仿真分析，结果如图显示成形性较好，无开裂起皱缺陷，满足可制造性要求。

4 结论

本文建立了变截面线长液压成形管件扭力梁正向设计流程及思路，设计思路为首先使动力学性能需要满足设计目标，整体结构定义后再进行局部细化，改善强度性能。在拓扑分析基础上建立了概念模型，概念模型重量21.4kg，侧倾转向等5项动力学性能不达标。结合拓扑分析及设计参数敏感度研究在概念模型基础上进行了多轮细化设计，最终扭力梁悬

架设计总重量19.5Kg，动力学和强度性能满足设计目标要求。成形仿真分析显示设计的扭力梁零件成形性较好，满足可制造性要求。

参考文献

[1] 陈仙风，陈智勇，苏海波.不同成形工艺对扭力梁使用性能的影响研究[J].锻压技术，2014，39（3）：112-116.

[2] 韩聪，贺久强，苑世剑.780 MPa 超高强钢扭力梁内高压成形研究[J].精密成形工程，2016，8（5）：53-59.

[3] 阴学莲，逯若東.管状扭力梁液压成形有限元仿真分析及试验[J].锻压技术，2017，42（9）：82-86.

[4] 何维聪，郑小艳，李金华等.超高强钢扭力梁内高压成形研究后扭力梁系统研发及某液压成型结构梁改[J].汽车实用技术，2012，（5）： 14-16.

[5] 吴利广，景立新，李广等.基于某车型后扭力梁悬架K&C特性分析[J].汽车实用技术，2018，（18）：132-134.

[6] 陈新平，逯若东，蒋浩民等.变截面线液压胀管扭力梁.201610261 799.9[P].2017-11-3.

[7] 逯若东，陈新平，蒋浩民等.一种局部壁厚增厚的液压胀形管及其成形方法. 201710203069.8[P].2018-10-16.