趙建宏

摘要：扭轉(zhuǎn)梁后橋開發(fā)過程中，須按照從整車技術(shù)要求分解出的零部件技術(shù)規(guī)范進行設計，并借助CAE優(yōu)化技術(shù)對零部件各性能進行優(yōu)化。本文主要針對某型扭轉(zhuǎn)梁后橋側(cè)向力耐久疲勞和減振器力耐久疲勞工況進行優(yōu)化分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后耐久疲勞壽命提高。實物樣件臺架驗證結(jié)果與優(yōu)化仿真分析結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：性能優(yōu)化;CAE技術(shù);扭轉(zhuǎn)梁后橋

中圖分類號：U463.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）02-0070-04

趙建宏

畢業(yè)于上海海事大學，碩士學歷，中級工程師，現(xiàn)就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，任試驗認證工程師。主要研究方向為底盤結(jié)構(gòu)件試驗認證及結(jié)構(gòu)件載荷。

扭轉(zhuǎn)梁后橋主要通過焊接工藝將橫梁與懸架臂連接，并通過車輪支架或法蘭板與車輪相剛性連接，同時，利用與車身前進方向成一定角度的襯套與車身彈性連接，垂向布置的彈簧和減振器提供緩沖和減震作用。由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝與拆卸，懸架結(jié)構(gòu)型式緊湊，有利于油箱、備胎的布置，其典型結(jié)構(gòu)見圖1：

后扭轉(zhuǎn)梁后橋因結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在運動學上也有較多優(yōu)點而被廣泛應用在A級、AO級轎車上。各大汽車廠商對扭轉(zhuǎn)梁后橋進行著不斷地升級和優(yōu)化，其主要開發(fā)流程為底盤供應商根據(jù)主機廠發(fā)布的零部件技術(shù)規(guī)范（CTS）中提供的硬點坐標，包絡數(shù)模，周邊接口零件等幾何要求和靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、疲勞耐久性能等性能要求進行零部件開發(fā)設計。

隨著環(huán)保壓力的日趨增大，汽車輕量化在設計過程中成為一個重要的考核指標。因此，扭轉(zhuǎn)梁后橋開發(fā)需要產(chǎn)品開發(fā)人員在結(jié)構(gòu)性能與產(chǎn)品重量問尋找最佳平衡點。本文利用Hypermesh建立扭轉(zhuǎn)梁后橋有限元模型，并應用MSC.Nastran分析各工況應力分布情況。同時，利用Ncode.Designlife進行疲勞壽命預測，并將疲勞壽命的仿真結(jié)果與樣件臺架試驗結(jié)果進行比對，充分驗證優(yōu)化方案的合理性及準確性。

1扭轉(zhuǎn)梁后橋有限元模型的建立

根據(jù)零部件技術(shù)規(guī)范（CTS）中提供的硬點坐標和剪切中心坐標，及周圍接口零部件包絡的靜態(tài)和動態(tài)間隙要求，建立初版扭轉(zhuǎn)梁后橋數(shù)模。將該數(shù)模導入Hypermesh中，并對導入的模型進行幾何清理，從幾何模型中抽取中而建立高質(zhì)量的網(wǎng)格模型。對于等板厚的沖壓焊接件，可采用殼單元進行零件網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設為5 mm。為了確保仿真分析的準確性，需要對劃分的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，修改不合格的網(wǎng)格，盡量減少三角形網(wǎng)格數(shù)量。為了提高計算精度，焊縫采用四邊形單元網(wǎng)格，并對關(guān)鍵區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理。

扭轉(zhuǎn)梁后橋的邊界約束多，約束形式較為復雜，關(guān)鍵的約束點在與后橋與車身相連的地方，此處約束邊界條件的設定將會影響整個計算仿真的精確性。該扭轉(zhuǎn)梁后橋通過橡膠襯套與車身連接，襯套由金屬外套管和金屬內(nèi)套管硫化成為一體。車輛運行時，內(nèi)套管約束后橋在襯套位置的x、Y、z方向平移自由度;通過車輪傳遞至車身的路面載荷可等效轉(zhuǎn)換為加載至車輪中心的載荷。彈簧力按照實際加載角度進行加載，接觸區(qū)域設置為下隔震墊與彈簧盤接觸區(qū)域;減振器力按照實際加載角度進行加載，載荷加載至減振器支架幾何中心點。其余支架按照實際加載情況進行簡化模擬。扭轉(zhuǎn)梁后橋總成有限元約束模型如圖2所示：

2扭轉(zhuǎn)梁后橋強度及疲勞壽命校核

根據(jù)零部件技術(shù)規(guī)范（CTS）中的零部件試驗要求，應用多體動力學軟件ADAMS/Car可計算出各工況的靜態(tài)載荷，生成載荷數(shù)據(jù)文件作為扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)強度分析的輸入。通過計算后橋應力結(jié)果與材料許用應力可反映產(chǎn)品設計強度的可靠性。

本文將應用Ncode.Designlife軟件計算兩種最惡劣耐久疲勞試驗后橋的強度及疲勞壽命。由于該后橋硬點布置及總裝要求，需在懸架臂靠近法蘭板區(qū)域預留兩個螺栓緊固工具孔，以便緊固套筒可穿過懸架臂擰緊螺栓，每個工具孔最小直徑要求為28 mm。因此，在各工況中，側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗對該設計懸架臂性能考核最為嚴格，現(xiàn)選取這兩個試驗對該后橋進行分析及優(yōu)化，確保后橋的強度和疲勞壽命滿足CTS要求。側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗要求如表1所示：

扭轉(zhuǎn)梁后橋側(cè)向力疲勞試驗載荷為正弦波，加載位置在車輪中心點，載荷循環(huán)的周期范圍要求在4Hz～16Hz（本文選取4Hz），應力幅值要求：下限載荷為-5.5KN，上限載荷4.5KN。扭轉(zhuǎn)梁后橋減振器力疲勞試驗載荷為正弦波，加載位置在減振器支架幾何中心，載荷循環(huán)的周期范圍要求在4Hz～25Hz（本文選取4Hz），應力幅值要求：下限載荷為4.5KN，上限載荷7.5KN。

通過MSC.Nastran求解器算出扭轉(zhuǎn)梁后橋在側(cè)向力和減振器力載荷下的應力結(jié)果。將該應力結(jié)果導入到Neode.Designlife中，結(jié)合材料E-N曲線，可計算出扭轉(zhuǎn)梁后橋的疲勞分析結(jié)果。原設計后橋側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗應力分布結(jié)果如圖3和圖4所示，對應的疲勞壽命分別為11.4萬次和5.6萬次。

3扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗疲勞仿真分析結(jié)果可見，雖然該扭轉(zhuǎn)梁后橋滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，但CTS中的疲勞要求為20萬次，原設計后橋結(jié)構(gòu)存在較大風險，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足CTS中的疲勞壽命要求。

扭轉(zhuǎn)梁后橋進行側(cè)向力臺架試驗時，懸架臂和減振器支架承受較大側(cè)向力。在原設計中，在懸架臂與法蘭板連接區(qū)域有兩個螺栓緊固套筒安裝孔，該區(qū)域應力較大為230 MPa，從仿真結(jié)果中可以看出，在循環(huán)載荷作用下該區(qū)域?qū)霈F(xiàn)疲勞破壞，且疲勞壽命僅為11.4萬次，不滿足CTS中20萬次要求，需強化該區(qū)域結(jié)構(gòu)。為強化該區(qū)域，須盡量擴大該區(qū)域有效的受力面積，增加該區(qū)域材料且型面光滑過渡，優(yōu)化工具孔周邊形貌。如圖5所示。該設計強化了懸架臂工具安裝孔周邊薄弱區(qū)域，有效的降低該區(qū)域應力至168MPa，提高了耐久壽命至34.7萬次，滿足CTS中側(cè)向力臺架疲勞試驗20萬次的要求。

扭轉(zhuǎn)梁后橋進行減振器力臺架試驗時，減振器支架和彈簧盤承受較大垂向力。在該設計中，減振器支架和彈簧盤支架連接區(qū)域應力較大為294Mpa，從仿真結(jié)果中可以看出，在循環(huán)載荷作用下該區(qū)域?qū)霈F(xiàn)疲勞破壞，且疲勞壽命僅為5.6萬次，不滿足CTS中20萬次要求，需強化該區(qū)域結(jié)構(gòu)。應盡量加大連接區(qū)域的有效焊接搭接量，在滿足螺栓安裝空間的同時，增加該區(qū)域材料且型面光滑過渡。如圖6所示。

該設計強化了減振器支架周圍薄弱區(qū)域，有效的降低該區(qū)域應力至217 MPa，提高了耐久壽命至20.6萬次，滿足CTS中減振器力臺架疲勞試驗20萬次的要求。優(yōu)化前后后橋強度和疲勞壽命仿真分析結(jié)果對比如表2所示。

4扭轉(zhuǎn)梁后橋疲勞試驗分析

扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各項性能均滿足CTS中的要求。該版設計鎖定后，即可用于后續(xù)的樣件制造和樣件臺架耐久試驗，為進一步驗證優(yōu)化方案的準確性和有效陛，現(xiàn)進行實物樣件的試驗驗證。

該扭轉(zhuǎn)梁后橋樣件在側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗加載要求與仿真分析要求一致。側(cè)向力耐久試驗，后橋襯套與臺架按照車身安裝角度進行連接，橫梁中部固定，作動器加載至車輪中心位置，方向為整車坐標Y向，臺架布置如圖7所示。樣件減振器力耐久試驗，后橋襯套與臺架按照車身安裝角度進行連接，車輪中心固定，作動器加載至減振器支架幾何中心，方向為整車坐標z向，臺架布置如圖8所示。

臺架試驗結(jié)果與優(yōu)化后仿真結(jié)果對比如表3所示，結(jié)果趨勢基本一致，且滿足CTS中疲勞壽命20萬次的要求。

5總結(jié)

在競爭激烈的轎車行業(yè)，對于成本控制的要求越來越高。采用有限元模擬在設計初期階段通過仿真分析方法為結(jié)構(gòu)設計提出有效合理地優(yōu)化方案，已成為企業(yè)提高產(chǎn)品開發(fā)設計能力的關(guān)鍵所在。

本文以扭轉(zhuǎn)梁后橋設計開發(fā)、優(yōu)化為例，優(yōu)化后的后橋結(jié)果在側(cè)向力耐久試驗和減振器力耐久試驗仿真分析中，局部最大應力分別降低27%和26%，耐久疲勞壽命分別提高204%和269%。在實際的臺架試驗中，耐久疲勞壽命與仿真分析結(jié)果基本一致，有效的驗證了優(yōu)化方案的合理性和準確性。