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基于拓扑优化的SUV车辆控制臂轻量化研究
| 论文题名： | 基于拓扑优化的SUV车辆控制臂轻量化研究 |
| 关键词： | SUV车辆;悬架控制臂;轻量化设计;拓扑优化 |
| 摘要： | 悬架控制臂作为簧下质量的重要组成部分，对其轻量化不仅能够为整车减重做贡献，同时也能够有效改善车辆的行驶舒适性及操控稳定性。对悬架控制臂进行结构轻量化是汽车底盘研究的重要内容之一。近年来，铝合金、镁合金等轻量化材料在汽车制造中的运用比重越来越高，采用轻质材料对控制臂进行轻量化时，其拓扑结构设计的合理与否，决定了产品的主要性能。本文以某款城市SUV汽车麦弗逊式独立悬架下控制臂为研究对象，采用轻质材料替代原钢制控制臂材料并对其进行拓扑结构设计。本文的主要工作有： 首先，利用Adams/car软件建立麦弗逊式独立悬架刚柔耦合模型进而建立整车刚柔耦合模型进行仿真，获得控制臂各连接点的载荷数据，作为后续静力分析和拓扑结构优化的载荷；通过对原钢制控制臂进行静力分析和模态分析，为优化后新模型的静力分析和模态分析结果提供了参考，同时对原钢制控制臂进行模态试验，验证有限元模型的准确性； 其次，对几种轻质材料的性能进行比较并确定了采用6061T651铝合金材料替换原控制臂材料；在Hypermesh软件中建立了铝合金控制臂的拓扑优化模型，将其刚度和低阶模态频率作为优化目标，对其进行拓扑优化。采用灰色关联分析法确定了多工况刚度优化目标的权重系数；比较了仅以一阶模态频率最大为目标和同时以前三阶模态频率最大为目标对结果的影响，确定了采用平均频率法对控制臂低阶模态频率进行优化；探讨了最小成员尺寸、拔模约束、体积分数约束和权重系数分配等对结果的影响，并确定其取值，进行拓扑优化并得到最终铝合金控制臂拓扑结构。 最后，根据上述得到的拓扑优化结果并结合工程实际，对铝合金控制臂模型进行重构，并对新控制臂模型进行静力分析、模态分析及疲劳分析，结果表明新控制臂模型性能均好于原钢制控制臂，且疲劳寿命满足控制臂设计要求。 新的铝合金控制臂模型重量为2.54kg，相较于原钢制控制臂的重量3.19kg，下降了20.37%，轻量化效果显著，且强度、刚度及低阶模态频率等均有一定提升。最终为企业提供一款满足强度、刚度、模态及疲劳性能要求的轻量化控的制臂。得到了控制臂进行材料替换时的拓扑结构设计流程，为实际工程设计提供了参考。 |
| 作者： | 郑冲 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 康元春 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖北汽车工业学院 |
| 学位年度： | 2020 |
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