擺臂的案例
乘用車前擺臂和副車架的強度分析及優化
3 強度分析結果
使用OptiStruct求解器分別求解前擺臂和副車架結構上述3個工況下的應力情況，通過如圖8~圖10所示的前擺臂和副車架的應力云圖可得到前擺臂和副車架在各種工況下的最大應力值。
前擺臂各工況下最大應力值如表5所示，副車架各工況下最大應力值如表6所示。
表5各工況下前擺臂應力結果
工況
最大應力/MPa
轉彎
72.61
制動
129.4
沖擊
53.36
表6 各工況下副車架應力結果
工況
最大應力/MPa
轉彎
181.4
制動
341.2
沖擊
112.5
從各工況下結構的峰值應力看，轉彎和沖擊應力水平較低，制動應力水平較高。轉彎工況下前擺臂和副車架的最大應力分別為72.61MPa和181.4MPa；沖擊工況下前擺臂和副車架的最大應力分別為53.36MPa和112.5MPa；制動工況下前擺臂和副車架的最大應力分別為139.4MPa和341.2MPa。前擺臂和副車架結構中所用材料的強度特性如表7所示。
表7各材料強度特性
材料牌號
屈服強度/MPa
抗拉強度/MPa
HAPS400
255
400
HAPS440
305
440
前擺臂和副車架下板采用HAPS400，副車架上板材料為HAPS440。前擺臂結構設計滿足此三種工況下的強度要求，而副車架結構只有轉向和沖擊工況滿足強度要求，即應力水平小于材料的屈服極限。副車架在制動工況下的最大應力超過了材料的屈服強度極限。而從應力分布云圖上看，各個工況下橡膠襯套安裝支架、車身連接支架周圍及孔周圍的應力水平相對較高，且異常應力集中位置多出現在孔周圍。
展開 基于Altair Inspire的右前下后擺臂的模型優化
基于Altair Inspire的右前下后擺臂的模型優化 孫浩然、盧玉
1、概述
現如今，汽車對于人們的生活已經密不可分，對于人們的生活起著非常重要的作用，人們對汽車舒適性的要求也越來越高。汽車懸架作為汽車車身與輪胎之間的彈性連接組，能夠減小汽車行駛過程中由于彈性系統引起的振動，改善汽車的舒適性、操縱性以及行駛過程中的平順性，對于保證駕駛員與乘客乘坐舒適性至關重要。汽車懸架的擺臂是懸架系統中最終要的部件之一，主要起著導向和支撐車身的作用。汽車的前下后擺臂在汽車行駛過程中受到來地面的載荷沖擊以及汽轉向時的扭轉載荷，其變形會直接影響到車輪的定位。因此汽車前下后擺臂的結構好壞直接影響了汽車行駛過程中的穩定性、舒適性和安全性。本文選取汽車懸架系統的右前下后擺臂，基于Altair Inspire對其建立三維模型，對建立的模型進行強度分析、拓撲優化并進行幾何重構。
2、右前下后擺臂強度分析
2.1設置屬性參數
利用建立好的汽車懸架—右前下后擺臂模型，利用Altair Inspire軟件進行分析之前，需要先設置模型的材料參數中。本文進行汽車懸架—右前下后擺臂分析所選用的材料為Q235普通碳素鋼。其各項材料屬性圖表2.1所示。
展開 某SUV車型工裝樣車擺臂結構開裂問題優化分析
本文針對某款SUV車型工裝樣車襄陽試驗場可靠性道路試驗擺臂結構開裂問題，首先根據多體動力學模型輸出的擺臂在各個極限工況下的受力情況對開裂擺臂進行強度和疲勞分析，使問題再現；在此基礎上應用HyperMorph和HyperStudy優化模塊對需要優化的幾何結構進行優化，找到最佳的基于強度的優化幾何尺寸，快速有效的解決工程驗證中出現的實際問題。
1 開裂問題描述
某SUV車型工裝樣車襄陽可靠性道路試驗中，出現擺臂下蓋板焊縫處出現開裂，如圖1所示。開裂區域滿足材料要求、焊接質量要求，初步診斷為下蓋板結構尺寸不到位，在某一極限工況下引起焊縫處應力集中，導致疲勞耐久問題引起的開裂。為了快速有效的解決這一工程實際中的開裂問題，首先應用多體動力學模型進行極限工況的仿真，輸出各極限工況下擺臂三個接附點的受力情況，根據擺臂的受力情況對擺臂進行強度分析、焊縫疲勞分析、剛度分析，確定引起開裂的工況以及原因，使工程實際問題在CAE仿真中再現，由于后期出現的問題涉及到開模、時間周期等問題，最后決定通過優化下蓋板與上蓋板的連接尺寸進行開裂問題優化，應用HyperMorph和HyperStudy模塊對下蓋板進行基于擺臂的強度、剛度為目標的優化，最后對優化后的下蓋板工程數據進行強度、剛度、疲勞的驗證分析，快速有效的解決了這一開裂問題。
2 整車多體動力學分析
本次分析多體動力學模型包括前懸架系統、動力總成系統、轉向系統、穩定桿、后懸架系統以及車體，其中車體為剛體，動力總成簡化為具有轉動慣量的集中質量，懸架系統彈簧、襯套以及緩沖塊的剛度以及阻尼都是實際樣車測得的數據。根據樣車襄陽實際道路可靠性試驗情況輸出擺臂典型的三個極限工況下的載荷，極限工況主要有顛簸工況、轉彎工況、制動工況，各個極限工況的載荷見表1。
展開 汽車副車架擺臂固定支架強度CAE仿真分析
4.分析結果與結論：
副車架擺臂固定支架應力分布如圖3至圖5所示：
圖3：顛簸工況應力云圖
圖4：制動工況應力云圖
圖5：轉彎工況應力云圖
原設計方案中，副車架擺臂固定支架的材料選擇SAPH370,該材料的屈服強度為261.7MPa。由應力結果可知在顛簸工況下，副車架擺臂固定支架的應力超過261.7MPa，存在破壞風險，故建議選用強度更高的SAPH370440。
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某SUV車型工裝樣車擺臂結構開裂問題優化分析
針對某款SUV車型工裝樣車襄陽試驗場可靠性道路試驗擺臂結構開裂問題，首先根據多體動力學模型輸出的擺臂在各個極限工況下的受力情況對開裂擺臂進行強度和疲勞分析，使問題再現；在此基礎上應用HyperMorph和HyperStudy優化模塊對需要優化的幾何結構進行優化，找到最佳的基于強度的優化幾何尺寸，快速有效的解決工程驗證中出現的實際問題。
李芹英_某SUV車型工裝樣車擺臂結構開裂問題優化分析.pdf
擺臂拓撲優化案例
擺臂拓撲優化
擺臂初始狀態：三個角接位置為非優化區域，黃色部分為優化區域。
在如下三個工況共同作用下，進行拓撲優化：
工況\受力
X（kn）
y
z
垂直
0
-20
150
轉彎
0
-40
40
制動
-15
0
30
采用四面體網格劃分：
優化設置如下：
優化結果：27次迭代后，達到收斂，結果密度云圖如下：
基于Abaqus優化模塊的汽車擺臂的拓撲優化 ￥8
3.2 汽車擺臂的拓撲優化
本例以下圖的汽車擺臂作拓撲優化對象，在滿足性能的前提下，最輕化結構。
3.2.1有限元模型
1) 材料：此汽車擺臂的有限元模型材料為鋼材，小應變；
2) 分析步：設置了3個線性靜態分析步；
3) 耦合約束：分別Coupling 相應節點到參考點上(A 、B、C、D)；
4) 邊界條件：約束B點的Y、Z自由度，C點的X、Y、Z自由度，D點的Z自由度；
5) 集中力加載：在1、2、3 分析步，分別對A點加載X、Y、Z方向的1000N集中力。
提交有限元模型進行求解，得到的結果如下圖，可大概了解結構的加載變形情況。查看應力云圖可知近藍色區域應力值幾乎為0，即其對結構強度并無貢獻，也正是拓撲優化需要刪除的區域。
3.2.2 拓撲優化模型
1) 優化目標：最小化體積；
2) 約束條件：在1、2、3 分析步，A點合位移分別小于0.05mm、0.02mm、0.04mm；
3) 幾何限制：可鍛造限制、平面對稱限制；
4) 設計變量：設計區域中的單元密度。
創建并提交優化進程。
優化進程中目標函數和約束值變化如下圖。
經過36次循環后優化模型的Step-3的應力和位移云圖如下所示，其最大應力增大了，但未達到屈服應力，位移也在許可范圍內。
輸出優化后模型的STL格式（經過smooth處理）文件如下圖所示。
展開 基于SOLIDWORKS-ADAMS的機構動力學仿真
現在要使用ADAMS對該機構進行動力學仿真，考察在自身重力的作用下，該擺臂會如何運動。
下面說明操作步驟。
1. 在SOLIDWOKRS中打開裝配模型。
可以看到，該裝配由五個零件組成，兩根立柱，兩個橫杠，一個擺臂。其中兩根立柱和兩個橫杠之間都是固定的，而擺臂與上橫桿之間存在相對轉動。如果把該模型直接導入到ADAMS，則需要在立柱，橫杠之間建立一些固定副，對于本問題而言，還相對簡單，但是對于某些復雜的裝配而言，這種固定副可能多達二十幾個，會十分麻煩。下面說明最簡單的方法。
2. 壓制擺臂，得到下圖所示的裝配體，然后把該裝配另存為1.x_t文件。
3. 壓制支架，得到下圖所示的裝配體，然后把該裝配另存為2.x_t文件。
下面是在D盤根目錄下得到的兩個parasolid文件。
4.打開ADAMS，并新建一個模型。
5. 在ADAMS主菜單中選擇file>import，導入支架。
設置方式如下，注意選擇把該文件導入為一個零件，這樣，支架內部的零件在這里已經相對固定，成為一個構件。
這是導入后分配了顏色的結果。
下面是得到的零件樹結構。可以看到，它只有一個零件，其中包含了四個實體。
6. 在ADAMS主菜單中選擇file>import，導入擺臂。
設置方式同上一步。
這是導入后的零件樹結構。
導入后的整體效果。
7. 在支架創建一個MARKER.
在支架與擺臂的連接孔中心處創建一個marker，該marker有兩個作用，一方面是為了下面對擺臂進行旋轉定位，一方面是為了后面創建轉動副方便。
8. 轉動擺臂到初始位置。
使用精確移動工具，把擺臂圍繞上述marker進行旋轉，直到其處于一個合適的初始位置。
旋轉結果如下圖。
9.
展開 現在要使用ADAMS對該機構進行動力學仿真，考察在自身重力的作用下，該擺臂會如何運動。
下面說明操作步驟。
1. 在SOLIDWOKRS中打開裝配模型。
可以看到，該裝配由五個零件組成，兩根立柱，兩個橫杠，一個擺臂。其中兩根立柱和兩個橫杠之間都是固定的，而擺臂與上橫桿之間存在相對轉動。如果把該模型直接導入到ADAMS，則需要在立柱，橫杠之間建立一些固定副，對于本問題而言，還相對簡單，但是對于某些復雜的裝配而言，這種固定副可能多達二十幾個，會十分麻煩。下面說明最簡單的方法。
2. 壓制擺臂，得到下圖所示的裝配體，然后把該裝配另存為1.x_t文件。
3. 壓制支架，得到下圖所示的裝配體，然后把該裝配另存為2.x_t文件。
下面是在D盤根目錄下得到的兩個parasolid文件。
4.打開ADAMS，并新建一個模型。
5. 在ADAMS主菜單中選擇file>import，導入支架。
設置方式如下，注意選擇把該文件導入為一個零件，這樣，支架內部的零件在這里已經相對固定，成為一個構件。
這是導入后分配了顏色的結果。
下面是得到的零件樹結構?？梢钥吹剑挥幸粋€零件，其中包含了四個實體。
6. 在ADAMS主菜單中選擇file>import，導入擺臂。
設置方式同上一步。
這是導入后的零件樹結構。
導入后的整體效果。
7. 在支架創建一個MARKER.
在支架與擺臂的連接孔中心處創建一個marker，該marker有兩個作用，一方面是為了下面對擺臂進行旋轉定位，一方面是為了后面創建轉動副方便。
8. 轉動擺臂到初始位置。
使用精確移動工具，把擺臂圍繞上述marker進行旋轉，直到其處于一個合適的初始位置。
旋轉結果如下圖。
9.
展開 拓撲優化在底盤件開發中的應用
1、背景介紹
前擺臂是汽車底盤前懸架主要傳力部件之一，具有支撐測向力及水平力功能的懸架部件，它決定懸架系統的幾何形狀。擺臂一般用球頭銷、橡膠防塵套等柔性連接方式與車身及車橋連接，有時也采用剛性連接方式與車橋連接。擺臂一般采用鋼板沖壓件或鑄、鍛造工藝制造。在汽車行駛過程中前擺臂強度能否滿足要求，直接影響汽車行駛安全性。本課題利用拓撲優化的方法，驅動設計了一款新型鑄件擺臂，不僅滿足各種性能要求，而且重量比同級別車型減輕28%，實現了輕量化設計。
2、模型設置
單元尺寸：鑄、鍛件-本體 3mm 四面體單元，球銷座 3mm。擺臂軸套外管，通過體焊縫連接，采用基本尺寸3mm（長、寬方向）六面體網格，套管厚度方向分布三層體單元。
擺臂強度分析工況如下：
①經典工況 顛簸工況 加速工況 制動工況 轉向工況
②組合工況 凹坑轉向 加速轉向 制動轉向
③極限工況 前進沖擊
工況需通過Adams多體懸架模型進行載荷分解計算，提取出各工況下的硬點力和力矩（Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz）,對應施加在各硬點處。
3 優化設置
①拓撲變量，尺寸約束＞10，拓撲空間如下圖所示：
②約束條件，前述工況下最大主應力＜設計強度；安裝點位移＜設計值；擺臂向失穩載荷＜設計值；
③優化目標，質量最小。
展開 行業分享丨SimSolid 在汽車零部件開發中應用的可行性調研及實踐
3.3 控制臂仿真分折可行性論證
①案例說明：采用鍛造擺臂結構，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應的支反力和結構應力，對比軟件的非線性分析精度。如圖1所示：
圖1 鍛造擺臂
由于分析過程涉及非線性，其材料非線性及幾何非線性的設置如下圖2所示：
圖2 材料及幾何非線性設置
支反力的分析結果如表1所示，在位移較小階段，兩個軟件的結果相差約10%，隨著位移的增加，材料非線性及幾何非線性越來越大，兩者的結果差異也隨之變大，這主要是由于 SimSolid 非線性默認設定應用場景為小塑性應變，但是總體趨勢完全一致，并且差異比較穩定，在可接受范圍以內，這一點在工程應用上很關鍵，也完全能滿足結構前期設計的需求。
表1 分析結果
②案例說明：采用鈑金焊接擺臂結構，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應的支反力和結構應力，對比軟件的非線性分析精度。如圖3所示：
圖3 鈑金擺臂
本案例鈑金擺臂采用雙板沖壓拼焊而成，Abaqus 有限元模型焊縫采用shell單元模擬，板厚定義為連接母材的平均值3mm，SimSolid 計算模型通過連接工具定義焊縫連接，焊縫尺寸定義為4mm，如下圖4所示。
圖4 Abaqus 模型（左） SimSolid 模型（右）
這里需要說明剛才定義焊縫參數的差異，有限元模擬焊縫的 shell 單元厚度為實際焊縫的平均有效厚度，SimSolid 定義的焊縫參數為焊角尺寸。
展開 
基于HyperWorks的汽車擺臂的拓撲優化分析
本文主要通過Optistructs拓撲優化功能對汽車擺臂進行優化設計，優化得到的結構不僅重量上大大減輕，而且可以滿足所有載荷工況的約束要求。模型如下所示：
模型
通過有限元網格剖分后分為可設計區域與不可設計區域，藍色為可設計區域，黃色為不可設計區域，圖形如下：
有限元模型
優化問題如下：
目標：體積最小化；
約束：施加載荷的節點分為三個工況，工況1的合位移小于0.05mm；工況2的合位移小于0.02mm；工況3的合位移小于0.04mm。
設計變量：單元密度。
展開 SimSolid 在汽車零部件開發中應用的可行性調研及實踐
3.3 控制臂仿真分折可行性論證
①案例說明：采用鍛造擺臂結構，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應的支反力和結構應力，對比軟件的非線性分析精度。如圖1所示：
圖1 鍛造擺臂
由于分析過程涉及非線性，其材料非線性及幾何非線性的設置如下圖2所示：
圖2 材料及幾何非線性設置
支反力的分析結果如表1所示，在位移較小階段，兩個軟件的結果相差約10%，隨著位移的增加，材料非線性及幾何非線性越來越大，兩者的結果差異也隨之變大，這主要是由于 SimSolid 非線性默認設定應用場景為小塑性應變，但是總體趨勢完全一致，并且差異比較穩定，在可接受范圍以內，這一點在工程應用上很關鍵，也完全能滿足結構前期設計的需求。
表1 分析結果
②案例說明：采用鈑金焊接擺臂結構，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應的支反力和結構應力，對比軟件的非線性分析精度。如圖3所示：
圖3 鈑金擺臂
本案例鈑金擺臂采用雙板沖壓拼焊而成，Abaqus 有限元模型焊縫采用shell單元模擬，板厚定義為連接母材的平均值3mm，SimSolid 計算模型通過連接工具定義焊縫連接，焊縫尺寸定義為4mm，如下圖4所示。
圖4 Abaqus 模型（左） SimSolid 模型（右）
這里需要說明剛才定義焊縫參數的差異，有限元模擬焊縫的 shell 單元厚度為實際焊縫的平均有效厚度，SimSolid 定義的焊縫參數為焊角尺寸。
展開 基于ADAMS的汽車懸架靜態工作載荷提取
以擺臂外點為例，連接副信息和力的輸出請求設置如圖3-4所示：
圖3 擺臂外點球銷信息
圖4 擺臂外點request輸出設置
運行仿真分析：在ADAMS/Car中選擇靜態分析（Static Analysis） 或準靜態工況仿真。施加計算好的工況載荷，運行仿真。
通過仿真避免焊接裂紋
在焊接擺臂和扭力梁的子總成時，可以看到在熱影響區(HAZ)附近頻繁發生開裂問題。調查焊接條件及其對疲勞壽命的影響必須在上述子總成結構設計中實施，從而實現失效的預防。
案例1：擺臂焊縫開裂,在關鍵連接點焊接殘余變形太大
案例2：扭力梁的焊縫開裂
Simufact解決方案
為了解決這個技術問題并找到一個可行的工藝設計方案，MSC中國團隊開始幫助客戶針對上述結構開展焊接過程仿真分析和執行后續的疲勞壽命計算。這里的關鍵點是提供殘余應力和全部的“焊接歷史”（即變形、殘余應變，峰值溫度）作為疲勞壽命模擬的初始條件。為此Simufact Welding作為最先進的仿真工具被用來預測相關結果值和優化不同焊接條件下的工藝參數。
焊接殘余應力顯著影響焊縫的疲勞耐久性能。在傳統的結構和疲勞壽命有限元分析中焊接殘余應力沒有被考慮進來，因此工程師們不能重現開裂問題。采用Simufact Welding，工程師們能夠復現擺臂的焊接過程，并獲得焊接殘余應力。通過結合疲勞分析和基于Simufact Welding得到的結果——焊接殘余應力，開裂問題可以成功重現。為減少焊接殘余應力和關鍵接頭的焊接變形，工程師將焊接順序進行了調整，并將改進后的焊接工藝在Simufact Welding中進行了分析。最終解決了開裂的問題，并將焊接變形減少至可接受的公差范圍。
上述工作流程被應用到擺臂和扭力梁兩種結構上，可以明顯的和可持續的幫助用戶減少焊接殘余應力、變形，最終成功的預防結構開裂問題。
結果
長安汽車通過使用Simufact Welding能夠對焊接殘余應力和變形進行精準的預測，并基于得到的焊接殘余應力等結果進行后續的焊縫疲勞性能分析，從而幫助企業降低開發階段的測試工作約20%的時間和10% 的成本投入。
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