乘用车悬架强度有限元分析

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悬架的强度和耐久性能是影响汽车可靠性的关键因素。在整车开发的初期，就要对悬架部件进行有限元分析和结构优化，确保其强度符合设计要求。

悬架部件的使用场景复杂，失效模式多变，既可能发生疲劳破坏，也可能发生塑性变形，在极端情况下还可能发生瞬时断裂。所以悬架强度分析所用的载荷必须合理，既要覆盖尽可能多的实际场景，又不能过分苛刻而导致设计冗余。

实车路试配合虚拟迭代来分解载荷的方法已得到较广泛应用，利用虚拟试验场分解载荷的方法也有整车厂尝试。但这两种方法成本较高，且一般不考虑撞路沿、过沟、过坎等严苛场景，所获得的载荷通常仅适用于疲劳分析，不适用于极限工况强度分析。

基于经验工况进行载荷分解仍然是目前最常用的方案。这种方案既不需要物理样车路试，也不需要数字虚拟路面，成本低廉，而且在产品概念设计阶段即可实施。用于载荷分解的经验工况多达数十个，力图覆盖尽量多的使用场景。这些经验工况来源于主机厂多年的技术积累，已得到充分验证，而且随着用户需求和道路状况的变化，经验工况体系也在不断地修正和完善。

02

悬架强度分析所施加的载荷来源于多体动力学仿真。我们需要在多体动力学软件中建立整车模型（也可只建立前后悬架模型）；对多体模型施加相应的外载荷，模拟各种工况；分解提取悬架部件各接附点的力和力矩；最后将分解出来的力和力矩施加于有限元模型，进行静强度计算。

用于分析操稳性和平顺性的整车多体模型非常复杂，但悬架载荷分解所需的整车多体模型相对简单得多。我们可以忽略掉动力传动系统，只保留车身、转向系统、悬架系统和车轮，如图1。

图1 用于载荷分解的整车多体模型

车身和悬架部件用刚性体或者柔性体（MNF中性文件）均可，载荷分解的结果差异很小。使用柔性体虽不会明显提升分解精度，但可以按有限元模型的接附点节点号来输出载荷，载荷文本可直接粘贴到有限元输入文件，相比刚性体更为方便。

建立载荷输出时，应按局部坐标系输出各接附点载荷。局部坐标系固定在部件上，在仿真过程中随部件一起运动。建议局部坐标系各轴的初始方向与整车坐标系保持一致。

对于整车多体动力学模型， 需要进行必要的校核，以保证其准确性。

• 首先进行K&C校核。对比悬架K&C仿真结果与台架试验结果以校正多体模型。

  
  

• 然后进行整车静平衡校核。通过整车静平衡仿真，校核前后轴荷，修正弹簧自由长度，检查接附点的载荷对称性。

  
  

• 最后进行运动关系校核。在轮心处施加垂向位移激励进行仿真，回放仿真动画检查各部件间的运动约束关系是否合理。

03

悬架部件的载荷分解，通常是基于经验工况，经验工况涵盖了加速、制动、转向、颠簸等各种场景。本文以欧洲常用的悬架载荷分解27工况方案为例进行讨论，如图2所示。

图2 悬架载荷分解27工况定义

图2中的27个工况均为静力工况。所有工况都是车身固定，方向盘固定，在车轮接地点或者轮心位置施加力和力矩。其中第7、11和20个工况是四驱工况，两驱车辆不需要考虑。

通常需要采用两套整车多体模型进行载荷分解。一套用于涉及制动的工况，限制车轮跟转向节之间的相对转动；一套用于非制动工况，限制车轮跟大地之间的相对运动。

涉及加速和制动的工况要考虑轴荷转移，涉及转向的工况要考虑轮荷转移。轴荷和轮荷转移体现在四个车轮接地点的Z向载荷数值上。

对于每个工况，在多体动力学软件中进行准静态分析，静力平衡后输出每个部件各接附点的载荷，可以输出为常用软件的格式，如图3。

图3 多体动力学软件中的载荷输出设置

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如果悬架部件为钣金件，应采用壳单元建模，以四边型单元为主，尽量减少三角形单元的使用。与车身网格相比，底盘件网格应当更细致，壳单元尺寸建议控制在5mm之内。

铸造或锻造件则应采用一阶六面体实体单元建模，建议选择减缩积分格式。对于形状复杂的部件，使用六面体单元建模可能有困难，此时可考虑使用二阶四面体单元。实体单元尺寸建议控制在3mm之内。

对于铸造或锻造件，推荐在其外表面包裹一层薄壳单元，与实体单元实现节点融合。薄壳单元的厚度可取0.01mm，赋以与实体单元相同的材料。利用薄壳单元可以更精确的提取部件表面应力。

图4 悬架部件有限元网格示例

悬架部件的每个接附点应建立刚性单元来模拟该处的球头或衬套。力或力矩通过刚性单元将集中载荷分布到至连接孔周边。建立刚性单元时要根据实际情况来确定是采用RBE2还是RBE3，如图5。如果该位置是与衬套或球头的中心螺栓连接，则应采用RBE2，并且用Bar单元模拟螺栓，力和力矩载荷施加于Bar单元。如果该位置是与衬套或球头的外壁直接连接，则应采用RBE3单元，力或力矩施加于RBE3单元的中心点。

图5 RBE2和RBE3分别用于不同情况

采用刚性单元来模拟球头衬套是一种比较粗略的做法。如果追求接附点的应力精度，需要建出球头衬套的网格模型，并设置适当的装配接触关系。

钣金件的焊缝用壳单元模拟，焊缝周边网格需要局部细化处理，如图6。焊缝周边应当划分出热影响区，焊缝本体和热影响区应使用规则的四边形建模，不允许出现三角形，上下两层热影响区单元的节点应当一一对应。

图6 焊缝处的网格细化

设焊缝所连接两层钣金的厚度分别为t1和t2，则热影响区的单元尺寸应细化至小于2×min（t1,t2），焊缝本体单元的厚度应设置为1.5×min（t1,t2）。

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每个悬架部件的各接附点施加多体分解得到的载荷，进行静力分析。采用惯性释放方法，不需要再施加其它约束。

上述27个工况按载荷强度等级可分为三类，分别采用不同的分析方案和评价标准。

• LC1-LC13为标准工况

采用线弹性分析，求解完毕输出von Mises应力，进行应力磨平。每个工况均要求磨平后的von Mises应力小于材料屈服极限。

• LC14-LC21为疲劳工况

首先采用线弹性分析；然后将线弹性分析结果输入疲劳软件计算损伤值，选取SN方法。

疲劳分析考虑四种载荷循环：LC14-15-14、LC16-17-11、LC18-19-18和LC20-21-20。分别针对每种载荷循环做等幅加载疲劳分析。

疲劳分析中，应进行平均应力修正，并考虑表面粗糙度和表面热处理工艺等因素。在循环过程中，应力的幅值和主轴方向都可能发生变化，所以传统的多轴应力修正方案如von Mises应力和最大主应力法等不再适用，建议采用临界平面（Critical Plane）法来处理多轴应力。

每种循环的加载次数为20万次，计算输出损伤值，要求每种循环的损伤值小于0.3。

• LC22-LC27工况为极限工况

采用弹塑性分析，分析中无需激活几何非线性选项。求解完毕后，输出加载结束时刻的等效塑性应变和卸载后的残余变形。每个工况均要求等效塑性应变小于0.1倍的材料拉延率，部件残余变形小于0.1mm。

图7 下控制臂计算结果示例（von Mises应力、疲劳损伤值、等效塑性应变）

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悬架强度分析，包含载荷获取、有限元建模、有限元分析、疲劳分析等环节。其中有限元分析是基础的静力分析，疲劳分析也只是简单的等幅循环分析，这两个环节并没有太大难度。

悬架强度分析的关键在于获取合理的载荷，目前获取载荷的主流方案仍然是建立多体动力学模型基于经验工况进行分解。建立多体模型必须输入正确的硬点坐标、悬架几何、弹簧参数、衬套参数和缓冲块参数等数据；进行载荷分解之前要对多体模型进行必要的校核。

应用经验工况体系时，应根据产品定位和用户需求进行适当的补充完善。例如针对电动车频发的断轴问题，可在图2的27工况基础上再补充侧向大载荷冲击工况。

悬架强度分析涉及数十个工况，工作量庞大，且包含大量重复性工作，所以有必要开发一套分析流程自动化工具。载荷分解、有限元分析和疲劳分析环节实现自动化后，操作效率将有数倍的提高，分析结果的准确性也将有明显提升。

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