基于Hypermesh汽车扭力梁有限元优化设计攻略
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导读：随着中国汽车产量的不断增加，能源短缺和环境污染已经成为中国汽车产业可持续发展的突出问题。轻型汽车成为当今节约型社会发展的需要。面对日益严峻的环境问题和能源短缺，轻量化是当前汽车领域一个十分迫切的问题。
我们以某汽车扭力梁为研究对象，首先选取实验测试设备，了解实验测试工作原理，搭建实验平台，利用动态信号分析测试系统和模态测试软件 LMS，对扭力梁工作应力和自由模态分别进行实验测试，获取扭力梁在扭转工况下的应力以及自由状态下固有频率，借助有限元软件 Hyper Works 完成了扭力梁有限元模型的建立和仿真分析，通过与实验测试结果对比，验证了有限元模型搭建与数值仿真分析的正确性。基于正确的有限元模型，进行向前制动、向后制动、弹簧加载和减震器加载工况下的约束及力的加载并进行分析，随后分析计算扭力梁优化前的扭转刚度。以此为基础，分析了部件厚度对扭力梁质量、扭转刚度、最大应力和一阶固有频率的影响，判断纵臂厚度、横梁厚度、弹簧座厚度和轮轴板厚度四个部件厚度的薄弱部分。汽车扭力梁，即扭力梁式悬挂，主要由横梁、纵臂、衬套管、衬套管加强板、弹簧座、减振器支架、轮轴板、轮轴板加强板以及部件与部件之间的焊缝等部件组成。扭力梁作为底盘后悬架，在汽车工作过程中起到重要作用，其衬套管位置直接与车身相连，轮轴板加强板与轮毂相连。扭力梁可以起到保护汽车的作用，车身和地面之间的力相互传递过程中，扭力梁在中间可以起到减缓的作用；而且扭力梁具有一定的扭转刚度，当汽车行驶在不同路面上，两边车轮跳动幅度不同时，扭力梁可以起到横梁稳定的作用。扭力梁优点：成本极低：除极个别车外，绝大多数扭力梁的车取消了副车架，省了一大大大大笔钱，不需要稳定杆，但有的扭力梁为了增加扭转刚度会加一些补偿杆；空间极佳：乘员舱和后部空间可以做得很大，很深，备胎放置也好布；推力角改变：通过匹配前面两个衬套在XY面的柔度，可以人为允许在受侧向力时推力角的改变，行程后轴转向的效果，缓解转向不足，增加驾驶乐趣。
应力是由于物体外因而变形时，为抵抗这种外形的作用，在物体内各部分之间产生相互作用的内力。扭力梁结构强度的大小是通过应力值来反映，在结构设计阶段，掌握其应力值对扭力梁设计及优化具有重要的作用。本节借助实验设备对扭力梁应力进行测试，如图2、3。
扭力梁在实际工作过程中，不仅受到静载荷的作用，而且还受到动载荷的作用，为避免与来自地面的激励发生共振，需要对自由状态下扭力梁结构进行模态分析，从而了解结构的固有振动频率以及振型，并为后期的结构优化提供动态评价参考，如图4、5。
图4 模态测试台架
在 UG 软件中绘制的扭力梁 3D 模型自动保存为 prt 格式文件，若直接将此格式的文件进行处理会造成部件损坏，为避免部件不缺损，需要将其转换相应的 step 或者 iges 格式后导入 Hyper Works 软件之中。在有限元软件中需要简化导入的扭力梁模型。扭力梁模型有很多细小的部件，这些部件在有限元分析过程中受力较小，且不影响最后的计算结果，所以为了快速的搭建扭力梁的有限元模型，需要将其删除。根据扭力梁结构特点，对整个扭力梁部件进行抽取中面，然后采用壳单元进行网格划分，模型网格大小设定为 3mm。扭力梁工作过程中，各部件之间通过焊缝进行连接，其中焊缝是通过具有一定厚度的四边形网格进行模拟，焊缝厚度与相连的两部件中厚度较小者相同。模型中共包含 91647 个节点，89416 个单元，其中含四边形单元 80528 个，三角形单元 2904个，占全部单元的 3.2%。扭力梁各部件涉及到的材料均为钢材，由于钢材具有统一的材料属性，所以扭力梁模型所用材料的弹性模量为 2.1x105MPa，泊松比为0.3，密度ρ 为 7.8x10-6Kg/mm3，屈服强度为 450MPa，如图6、7。图6 焊缝处的处理
向前制动工况下，扭力梁受到垂直冲击载荷的作用，车轮抱死且与地面接触位置受到极大的制动力，扭力梁横梁与弹簧座加强板件交汇处容易产生应力集中，计算简图如图8。在侧向左工况中，汽车主要受到侧向力和垂向力作用，扭力梁对侧向左工况中产生的应力较为敏感，容易产生应力集中，计算简图如图9所示。扭转是汽车扭力梁部件抗变形能力，梁载荷与位移成正比例的比例系数，扭转强度越高表示汽车越坚硬。在结构设计阶段，其作用可以用来评价零部件的好坏，并为结构的优化改进提供一定的参考价值，如图10。
4、 结果对比分析
由于在自由状态条件下，前6阶的模态频率基本为 0，属于模型的刚体模态，通常将第 7 阶模态作为扭力梁一阶弹性模态，并将前10阶仿真结果与实验值进行对比，分析结果如表 所示。由表1可知，仿真模态结果与实验值最小误差为4.17%，发生在第5阶模态中，最大误差为 10.42%，发生在第4阶模态中，扭力梁前10 阶模态频率误差在15%范围之内，验证了模型的正确。此模态不仅可以判断扭力梁在运动过程中是否与路面激励发生共振，而且还可以为后期的结构优化提供动态评价指标。表1 模态对比
编号 | 仿真值Hz | 实验值Hz | 误差 |
1 | 41 | 38 | 7.32% |
2 | 106 | 99 | 6.60% |
3 | 232 | 215 | 7.33% |
4 | 288 | 258 | 10.42% |
5 | 360 | 345 | 4.17% |
6 | 445 | 425 | 4.49% |
图11 模态阵型图
② 应力结果对比
在 3 种典型工况下，扭力梁侧向左工况中受应力最大值为220.4MPa，位于弹簧座处。每个典型工况所受应力低于材料的屈服强度 450MPa。这充分说明了扭力梁部件厚度设计不理想，不仅增加了汽车的质量，而且在典型工况下扭力梁的材料利用率较低，有较大的优化空间，可以对其部件厚度进行轻量化设计，为使扭力梁结构设计合理且在工作过程中不至于损坏，所以将材料的屈服强度值 450MPa 设置为静态应力评价指标。表2 各工况应力对比
工况 | 实测应力MPa | 仿真应力MPa | 误差 | 位置 |
向前制动 | 157.94 | 145.56 | 8% | 轮轴板与纵臂搭接焊缝处 |
侧向 | 220.4 | 198.8 | 10% | 弹簧座 |
扭转 | 90.4 | 88.2 | 2% | 横梁 |
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