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原文传递某汽车独立悬架的运动学仿真及动态特性分析与结构优化

论文题名：	某汽车独立悬架的运动学仿真及动态特性分析与结构优化
关键词：	麦弗逊悬架;动态特性分析;运动学仿真;静力学分析;结构优化
摘要：	随着时代的发展，人们对汽车性能的追求愈加强烈，拥有良好平顺性及操纵稳定性等优良性能的汽车备受青睐，而悬架系统对汽车性能的提升起着不可小觑的作用。虽然现代悬架的种类层出不穷，但麦弗逊独立悬架因其合理的空间架构及超高的性价比在汽车上仍得到极为广泛的使用。本文正是基于某汽车前麦弗逊独立悬架进行研究，通过对麦弗逊悬架进行参数匹配与设计构建其三维模型，利用运动学仿真对其进行空间结构的优化，采用有限元模态分析与有限元静力分析的研究方法对悬架关键零件进行强度分析，并根据分析结果确定零件的优化方案，从而实现麦弗逊悬架结构的优化及性能的提升。主要研究内容如下：　　（1）基于某汽车相关参数，对麦弗逊悬架的性能参数及关键组成部件的尺寸进行匹配与设计并绘制成三维模型，进而组成装配体，完成前麦弗逊悬架的建模。　　（2）对前麦弗逊悬架的转向节及下摆臂分别进行了有限元自由模态分析获得了前十阶的固有频率及振型，搭建了自由模态实验平台并进行了实验模态分析，获得了转向节及下摆臂前十阶的固有频率；对转向节及下摆臂分别进行了约束模态分析获得了前六阶的固有频率及振型，对仿真及实验结果进行分析可以得到：转向节及下摆臂的有限元模态分析及实验模态分析得到的固有频率都随阶数的增加而升高，约束模态分析的固有频率相比自由模态的固有频率数值有所提高，转向节最低阶的固有频率值为自由模态877.89Hz，约束模态1417.30Hz；下摆臂最低阶的固有频率数值为自由模态739.69Hz，约束模态774.47Hz，转向节及下摆臂的最低阶固有频率值都远超出车辆行驶过程中最易引起共振的频率范围，二者强度可靠，性能良好，同时证明了建立的转向节模型和下摆臂模型合理可用，可以进行后续的研究。　　（3）利用建立的麦弗逊悬架模型获取悬架关键硬点的坐标，依据硬点坐标及汽车相关参数搭建了麦弗逊悬架的运动学仿真模型并进行双轮同向跳动及异向跳动试验，得到了车轮定位参数的变化范围，其中前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角的参数变化处于理想的变化范围内，前轮前束角的变化则超出理想变化范围较多。基于以上分析，选择前轮前束角为优化对象，通过分析选取对前束角影响较大的悬架硬点坐标作为自变量，经过多次迭代计算来优化硬点坐标使前束角的变化趋于合理，利用优化后的硬点坐标重构悬架运动学模型并再次进行仿真试验，最终结果表明：在保证其他车轮定位参数变化合理的情况下，前轮前束角的变化处于理想变化范围，且主销内倾角的变化也得到了较大程度的改善。　　（4）求解了汽车行驶过程中最大垂向力、最大制动力及最大侧向力三种典型工况下的轮胎接地力，并以此为载荷条件对麦弗逊悬架分析模型进行了静载仿真试验，提取悬架转向节关键节点处的载荷，为后续进行静力学分析奠定了基础；对转向节模型进行上述典型工况下的有限元静力分析，通过对比分析结果，得到了转向节工作时最危险工况（即最大侧向力工况）下的最大等效应力245.81MPa和最大变形量0.114mm，其中最大等效应力值远小于转向节的屈服极限，转向节的强度符合要求。　　（5）采用拓扑优化的方法对转向节结构进行优化，依据最大侧向力工况下有限元静力分析结果及约束模态分析结果，以75%质量保留、70%体积保留及约束模态分析的第1阶频率为约束条件，对转向节进行拓扑优化，得到了其结构优化结果，且在转向节结构重建时将固定台连接臂处的凹槽深度作为变量进行方案设计并探究了几种设计方案的合理性，最终选择凹槽深度为11mm的结构优化方式作为最佳方案，最终优化后的转向节模型在三种工况下的等效应力值都得到了降低，尤其是最大侧向力工况下的最大等效应力降低了79.490MPa，转向节的重量也减轻了0.4881Kg，减重比为9.2%，实现了优化减重的目标。
作者：	韩东越
专业：	机械工程
导师：	郑忠才;王桂荃
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022