摘要：為了有效利用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)特性，采用碳纖維復(fù)合材料對(duì)某汽車(chē)控制臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。首先建立了原鋼質(zhì)控制臂有限元模型，通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，并對(duì)鋼質(zhì)控制臂進(jìn)行了剛度分析和強(qiáng)度分析。然后基于鋼質(zhì)控制臂幾何特征進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料控制臂幾何重構(gòu)，考慮其質(zhì)量、振動(dòng)特性、剛度、強(qiáng)度和工藝約束等，對(duì)碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層次序優(yōu)化，獲得了最佳碳纖維復(fù)合材料鋪層形狀、厚度和鋪層順序。最后通過(guò)與原鋼質(zhì)控制臂性能對(duì)比可知，控制臂縱向剛度和側(cè)向剛度分別增加了13.6%和1.4%，同時(shí)強(qiáng)度和振動(dòng)特征均大幅提升，質(zhì)量降低了63.7%，取得了顯著的輕量化效果。
關(guān)鍵詞：控制臂；碳纖維復(fù)合材料；尺寸優(yōu)化；鋪層次序優(yōu)化；輕量化
汽車(chē)輕量化是節(jié)能減排的必然需求，也是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。碳纖維復(fù)合材料作為新型輕量化材料，具有密度小，比剛度、比模量大，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。蔣榮超等[4]使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)扭轉(zhuǎn)梁懸架中的鋼制橫梁進(jìn)行替換，并通過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)橫梁截面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終取得了顯著的輕量化效果。HARTMANN等[5]將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于電池箱結(jié)構(gòu)，以改善其振動(dòng)和剛度性能。馬芳武等[6]研究了碳纖維復(fù)合材料B柱，在保證其各項(xiàng)性能的前提下，減輕了B柱加強(qiáng)板的質(zhì)量。LIU等[7]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠構(gòu)件，以滿足碰撞安全性和輕量化要求。綜上所述，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車(chē)身構(gòu)件較多，在底盤(pán)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的應(yīng)用還不夠充分。
控制臂是汽車(chē)底盤(pán)的重要零部件，直接影響懸架系統(tǒng)的性能，關(guān)乎汽車(chē)的操穩(wěn)性和舒適性。在控制臂輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證其結(jié)構(gòu)性能尤為重要，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了相關(guān)研究。蔣榮超等[8]基于灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料控制臂鋪層參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)提高其控制臂結(jié)構(gòu)性能。楊紹勇等[9]探究了基于鋪層設(shè)計(jì)特性的復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，并以控制臂為例進(jìn)行其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)相比較驗(yàn)證其方法的可行性。KIM等[10]基于微種群遺傳算法探究了不同鋪層順序?qū)μ祭w維復(fù)合材料控制臂屈服性能和剛度性能的影響。劉越等[11]結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)基于等剛度原理設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，與原鋼質(zhì)控制臂相比較，所設(shè)計(jì)的輕量化碳纖維復(fù)合材料控制臂滿足其目標(biāo)。
本文以控制臂為研究對(duì)象，綜合考慮工藝和鋪層設(shè)計(jì)要求，對(duì)碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，在保證性能目標(biāo)的同時(shí)，得到最佳的控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)與原鋼質(zhì)控制臂各項(xiàng)性能對(duì)比分析，驗(yàn)證其輕量化設(shè)計(jì)的可行性。
1、 原鋼質(zhì)控制臂有限元分析
1.1 原鋼質(zhì)控制臂有限元模型
原鋼質(zhì)控制臂是由上、下連接板以及周邊連接板和襯套焊接而成，利用球鉸（外點(diǎn)）與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，通過(guò)襯套（前點(diǎn)和后點(diǎn)）連接在副車(chē)架上。將懸架控制臂經(jīng)過(guò)幾何簡(jiǎn)化、幾何清理和抽取中面等，采用5 mm的2D單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。焊接部分采用共節(jié)點(diǎn)處理，與轉(zhuǎn)向節(jié)和副車(chē)架連接點(diǎn)到控制臂本體之間采用RBE2剛性單元連接，最終有限元模型如圖1所示。
圖1 原鋼質(zhì)控制臂有限元模型
通過(guò)賦予其材料屬性，對(duì)鋼質(zhì)控制臂有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)仿真，得到其固有頻率。采用力錘激勵(lì)方式進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，使用橡皮繩將其懸吊來(lái)模擬其自由邊界條件，并在其上布置測(cè)試點(diǎn)以獲取其幾何輪廓，試驗(yàn)布置形式如圖2所示。得到的固有頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比可知，二者基本一致，模態(tài)振型基本吻合，說(shuō)明所建立的有限元模型滿足工程分析需要。
圖2 原鋼質(zhì)控制臂自由模態(tài)試驗(yàn)布置圖
表1 鋼質(zhì)控制臂自由模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
1.2 原鋼質(zhì)控制臂剛度分析
控制臂是連接車(chē)輪與車(chē)身的關(guān)鍵零部件，在汽車(chē)直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要承受縱向力，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中主要承受側(cè)向力，因此，其縱向剛度和側(cè)向剛度可作為性能分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)控制臂進(jìn)行剛度分析時(shí)，添加約束條件如圖3所示，約束類型設(shè)置為單點(diǎn)約束（Single Point Constraint, SPC），分別在控制臂外點(diǎn)施加沿X和Y方向1 000 N載荷，考察外點(diǎn)在兩個(gè)方向的最大變形量，以計(jì)算其縱向剛度和側(cè)向剛度，分析結(jié)果如表2所示。
圖3 原鋼質(zhì)控制臂剛度分析邊界條件
表2 鋼質(zhì)控制臂剛度分析結(jié)果
1.3 原鋼質(zhì)控制臂強(qiáng)度分析
汽車(chē)在行駛過(guò)程中，懸架控制臂相對(duì)于車(chē)身并非靜止?fàn)顟B(tài)，而是繞著前、后點(diǎn)安裝位置的連線上下擺動(dòng)[12]。如果控制臂與車(chē)身安裝點(diǎn)采用固定約束，約束點(diǎn)的反力會(huì)影響控制臂強(qiáng)度分析結(jié)果。為了有效解決該問(wèn)題，采用慣性釋放的方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。在進(jìn)行慣性釋放分析時(shí)，將控制臂的外點(diǎn)設(shè)置為“虛支座”，即約束該節(jié)點(diǎn)的全部自由度，約束類型設(shè)為SUPPORT1[13]。
懸架控制臂受力情況較為復(fù)雜，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算獲取汽車(chē)在前加速、前制動(dòng)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等4種工況下的受力載荷，控制臂在不同工況下各連接點(diǎn)受力載荷如表3所示。
通過(guò)有限元強(qiáng)度分析可知，前制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為472 MPa，其應(yīng)力分布如圖4所示。其余三種工況最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于前制動(dòng)工況，前加速工況和右轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)力均小于左轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)力。因而，在后續(xù)碳纖維復(fù)合材料控制臂優(yōu)化分析時(shí)需特別注意前制動(dòng)工況。
表3 鋼質(zhì)控制臂載荷條件 單位：N
圖4 前制動(dòng)工況下原控制臂應(yīng)力云圖
2、 碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于原鋼質(zhì)焊接型控制臂組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)考慮到碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，將在保持原有安裝方式和位置的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行幾何重構(gòu)。首先以原控制臂結(jié)構(gòu)外輪廓為邊界構(gòu)成封閉幾何，然后創(chuàng)建U型截面單層板結(jié)構(gòu)外形[14]，幾何重構(gòu)過(guò)程如圖5所示。
圖5 控制臂幾何重構(gòu)過(guò)程
基于OptiStruct對(duì)重構(gòu)的控制臂幾何模型進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用T300/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其基本性能如表4所示。依次經(jīng)過(guò)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化獲得最佳的碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)。
表4 碳纖維復(fù)合材料基本性能
2.1 自由尺寸優(yōu)化
自由尺寸優(yōu)化屬于概念設(shè)計(jì)階段，即將不同鋪設(shè)角度視為不同的超級(jí)層，每一鋪設(shè)角度的超級(jí)層系統(tǒng)默認(rèn)均有4個(gè)疊加層組，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)層厚度可連續(xù)變化。超級(jí)層設(shè)為45°、-45°、0°、90°四種角度，通過(guò)Symmetric Smear方式模擬鋪層形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱鋪設(shè)且忽略鋪層順序?qū)?fù)合材料力學(xué)性能的影響。在自由尺寸優(yōu)化階段，還需要設(shè)置制造約束，例如每一鋪設(shè)角度在總厚度中的百分比、層壓板的總厚度等[15]。初步設(shè)定超級(jí)層總厚度為16 mm，即4個(gè)鋪層角度的超級(jí)層厚度均為4 mm，自由尺寸優(yōu)化問(wèn)題具體設(shè)置如下：
1）設(shè)計(jì)變量：每個(gè)單元的超級(jí)層厚度；2）目標(biāo)：縱向剛度和側(cè)向剛度加權(quán)柔度最小；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；45°和-45°鋪層形狀和厚度保持一致；每一超級(jí)層鋪設(shè)角度所占比例為10%～60%。
經(jīng)過(guò)自由尺寸優(yōu)化后得到各角度鋪層最優(yōu)形狀，即不同鋪設(shè)角度超級(jí)層厚度的分布，如圖6－圖8所示，其中鋪層角度±45°的厚度分布云圖相同。
圖6 超級(jí)層角度0°的厚度分布
圖7 鋪層角度±45°的厚度分布
圖8 鋪層角度90°的厚度分布
2.2 尺寸優(yōu)化
經(jīng)過(guò)自由尺寸優(yōu)化確定了控制臂各鋪層角度的不規(guī)則厚度分布，每一鋪層角度均由4種不同形狀組成。為了確定不同鋪層角度各鋪層形狀厚度，對(duì)各不同鋪層角度的鋪層厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，具體設(shè)置如下：
1）設(shè)計(jì)變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標(biāo)：質(zhì)量最小；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度為45°和-45°；層形狀和厚度保持一致；可制造的每一鋪層厚度為0.25 mm；縱向剛度＞2 500 N.mm-1；側(cè)向剛度＞50 000 N.mm-1。
通過(guò)自由尺寸優(yōu)化確定了最終總厚度為 15.5 mm，其中各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度結(jié)果如表5所示。
表5 各鋪層角度不同形狀的鋪層厚度
2.3 鋪層順序優(yōu)化
碳纖維復(fù)合材料具有明顯的各向異性，不同的鋪層順序?qū)ζ湫阅苡绊懖煌ㄟ^(guò)鋪層順序優(yōu)化來(lái)提升控制臂的各項(xiàng)性能，根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行鋪層順序優(yōu)化，具體設(shè)置如下：
1）設(shè)計(jì)變量：各鋪層形狀塊的厚度；2）目標(biāo)：縱向剛度和側(cè)向剛度加權(quán)柔度最小（剛度最大）；3）約束：一階固有頻率≥220 Hz；鋪層角度-45°和45°成對(duì)出現(xiàn)；同一鋪層角度連續(xù)鋪設(shè)不超過(guò)2層；強(qiáng)度各工況最大應(yīng)力≤460 MPa。
最終確定碳纖維復(fù)合材料控制臂按照不同形狀鋪設(shè)的層合板表示為[(±45°/90°/0°)6/(±45°/90°)2]s，其中s表示對(duì)稱。
3、 對(duì)比分析
通過(guò)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化獲得了最佳的碳纖維復(fù)合材料控制臂結(jié)構(gòu)，相比于最初鋼結(jié)構(gòu)控制質(zhì)量3.75 kg降低到了1.36 kg，控制臂質(zhì)量降低了63.7%，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)控制臂的輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元分析獲得四種工況下碳纖維復(fù)合材料控制臂的應(yīng)力分布，其中前制動(dòng)工況應(yīng)力最大，如圖9所示。可以看出，前制動(dòng)工況最大應(yīng)力值為162 MPa，相比于鋼質(zhì)控制臂強(qiáng)度得到大幅提升。
圖9 前制動(dòng)工況應(yīng)力分布云圖
設(shè)計(jì)優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料控制臂側(cè)向剛度和縱向剛度位移分布如圖10所示，外點(diǎn)X和Y方向位移分別為0.363 mm、0.013 26 mm，從而確定其縱向剛度和側(cè)向剛度分別為2 755N.mm-1、 75 415 N.mm-1，相比原鋼質(zhì)控制臂縱向剛度和側(cè)向剛度分別增加了13.6%和1.4%，可以看出側(cè)向剛度基本不變。
圖10 碳纖維復(fù)合材料控制臂剛度分析結(jié)果
圖11 碳纖維復(fù)合材料控制臂一階振型云圖
此外，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料控制臂固有頻率較原鋼質(zhì)控制臂均有所提升，改善了其振動(dòng)特性。其中，碳纖維復(fù)合材料控制臂一階模態(tài)振型云圖如圖11所示，一階固有頻率為506.7 Hz，相比于原鋼質(zhì)控制臂提高了33%。
4、 結(jié)語(yǔ)
本文以原鋼質(zhì)控制臂為基礎(chǔ)，進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料控制臂的輕量化設(shè)計(jì)，并通過(guò)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料控制臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最佳的控制臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)與原鋼質(zhì)控制臂的各項(xiàng)性能結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證其輕量化設(shè)計(jì)的可行性。考慮到碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)特性，對(duì)原鋼質(zhì)控制臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，通過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得控制臂質(zhì)量相比于原鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)降低了63.7%。基于Optistruct的復(fù)合材料優(yōu)化三部曲，獲取了滿足各項(xiàng)性能的碳纖維控制臂結(jié)構(gòu)的鋪層形狀、鋪層厚度和鋪層順序。通過(guò)性能對(duì)比分析，碳纖維復(fù)合材料控制臂的強(qiáng)度、剛度及振動(dòng)特性均有顯著提升，為汽車(chē)零部件輕量化設(shè)計(jì)提供了參考。
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來(lái)源：《汽車(chē)實(shí)用技術(shù)》
作者：解瑩， 郭永奇， 何慶時(shí)， 鄒銳（營(yíng)口理工學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）
