麥弗遜懸架在目前是大多數中小型轎車前懸架所首選的類型，對于麥弗遜懸架的下控制臂來說主要在加速、制動、過坎是承受縱向力，以及在轉向是承受側向力，對于垂向力下控制臂只是抵消前后橡膠襯套被扭轉變形時的一些結構反力，垂向力主要由滑柱彈簧來承受，由于作用在控制臂上的垂向力在數量級上遠小于縱向力及側向力，所以在校核下控制臂時通常不考慮垂向力。麥弗遜懸架的受力情況如圖1所示。

　　圖1 優化前控制臂模型

　　圖2所示為優化前的控制臂，材料為鍛鋼40Cr 為了保證足夠的轉彎半徑，控制臂的結構設計空間較小，有應力集中區域如圖3所示。

　　圖2 優化前控制臂模型

　　圖3 優化前控制臂結構示意

　　新款車型在原有車型基礎之上，加寬了前輪距。也即輪心坐標外移，其他硬點不做改動，這樣控制臂多出結構優化空間，如圖4比較所示。

　　圖4 控制臂新的設計邊界

　　2 有限元模型的建立

　　2.1 建立設計邊界

　　根據布置情況利用CAD軟件建立起設計邊界模型，如圖5所示。

　　圖5 新的控制臂拓撲優化邊界

　　2.2 優化前處理

　　2.2.1 網格劃分

　　將建立的拓撲優化邊界導入HyperMesh 劃分網格，單元類型采用一階四面體單元，最終網格劃分情況如圖6所示。

　　圖6 劃分網格

　　2.2.2 添加材料

　　創建出各向同性金屬材料，參考手冊或詢問供應商得知其彈性模量及泊松比，如圖7所示。

　　圖7 添加材料

　　2.2.3 設置屬性

　　劃分優化區域及非設計區域，因為拓撲優化區域是由屬性來識別的，所以通過多個屬性可區分設計及非設計區域，本例中將控制臂前襯套外圈、后襯套芯軸、外球銷點緊固螺栓孔設置為非設計區域，其他為設計區域，如圖8所示。

　　圖8 劃分設計、非設計區域

　　2.2.4 連接關系建立

　　使用RBE2 單元將外球銷點與三個緊固螺栓孔內壁節點連接、相同的操作將前后襯套中心點與對應節點連接。

　　2.2.5建立邊界條件

　　麥弗遜懸架控制臂分析時通常固定前襯套X、Y、Z三個方向平動(1、2、3)，后襯套點Y、X方向平動(2、3)，外球銷點Z方向平動(1)，Loadtype 選擇SPC,結果如圖9所示(坐標系為整車坐標系)。

　　圖9建立邊界條件

　　2.2.6 施加載荷

　　根據已有的整車參數計算出制動、轉向工況時的縱向、側向力分成兩個Load 施加到外球銷點上，如圖10所示。

　　圖10 添加載荷

　　2.2.7建立工況

　　利用上兩步所創建出的邊界條件及載荷分別組合起來創建出制動、轉向兩種工況，表1所示為模型前處理信息。

　　2.2.8 建立拓撲優化變量

　　進入Optimization 模塊Topology 菜單選擇設計區域屬性，類型選擇PSOLID 創建優化變量，進入Draw 面板設置拔模方式為SPLIT 選擇從中心面往外兩側拔模，如圖11所示，Obstacle 選擇非設計區域屬性。

　　圖11 設置拔模方向#p#分頁標題#e#

　　2.2.9 建立優化響應

　　進入response 面板分別建立類型為Volumefrac、Weighted Comp的連個相應，其中Weighted Comp 在Loadstep 中將制動、轉向工況都選中且權重均衡。

　　2.2.10建立優化約束

　　進入Dconstraints 面板選擇上一步所建立的類型為Volumefrac 的響應，設置其上限值0.3，如圖12所示。

　　圖12 設置優化約束

　　2.2.11建立優化目標

　　進入Objective 面板，選擇第10步所創建的類型為Weighted Comp 的響應設置其目標為最小。

　　2.2.12 設置輔助卡片

　　如果需要可以設置一些輔助卡片，比如SCREEN 卡片，PARAM 卡片。

　　3 提交求解

　　保存 .fem 文件，設置合適的內存空間后調用OptiStruct 解算器進行求解。

　　4 優化結果后處理

　　經過28步的迭代，結果收斂。打開HyperView 查看結果，將單元密度閥值設置為0.3 ，結果如圖13所示。

　　圖13 優化結果

　　返回HyperMesh窗口，在后處理Post 面板將第28步結果讀入，并使用OSSmooth 命令將優化后的單元格光順成ISO 曲面，ISO 曲面閥值同樣取0.3結果如圖14所示。

　　圖14 光順后的結果

　　5 CAD 模型的重建

　　參考輸出的結果曲面，利用CAD 軟件對控制臂模型進行參數化重建，結果如圖15所示。

　　圖15 控制臂參數化模型的重建

　　6 重建模型的驗證

　　重建的CAD 模型必須要經過CAE 分析方可凍結，關于CAE 分析步驟，此處從略。下面主要將模型結構及CAE 結果與原方案進行對比。

　　6.1 剛度比較

　　控制臂剛度對車輪的外傾、前束等參數的穩定有很大關系，所以控制臂在受力時的彈性變形大小是考核控制臂設計優劣的一個關鍵參數，圖16、17分別時優化前后控制臂在相同的制動力作用下的變形情況，會發現優化后結果優于優化前結果。

　　圖16 優化前控制臂縱向變形

　　圖17 優化后控制臂縱向變形

　　6.2 模態比較

　　分別對優化前及優化后控制臂模型進行約束模態分析， 圖18左右分別時優化前及優化后模型的一階彎曲振形，對應的固有頻率為305Hz 和325Hz 可見優化后模型其剛度值提高。

　　圖18 優化前后模型的一介彎曲模型

　　7 結論

　　本文主要介紹了利用HyperWorks 軟件進行麥弗遜懸架控制臂的結構優化、模型重建、模型校核、方案對比等內容。著重闡述了實體結構件的優化流程。通過優化使控制臂材料達到一個最優化的分布，在既定的條件下使控制臂的用料最少，對應的質量也最小，作為車輛簧下重量，控制臂的質量越小，整車的舒適性也越好。

　　隨著燃油價格的普遍上漲，車輛輕量化設計已經越來越被各OEM廠家重視，本文通過一個完整的流程來證明只要是零部件就有優化的空間。只要在優化時設置好優化的約束及模型的優化參數，實現模型優化與工藝性是可以統一的。