某中型越野车下横臂的轻量化设计

论文摘要

越野车的悬架系统中,摆臂结构的刚度、强度特性在满足要求的前提下,还需尽量优化其结构的重量,以减轻簧下质量,增强悬架的承载能力。然而,对于具有复杂边界条件的悬架下横臂而言,单纯地采用轻质材料替换原材料具有盲目性；而单纯地采用结构优化技术往往优化的空间又有限。基于此,本文结合某中型越野车的悬架下横臂开发项目,在调研了国内外轻型材料以及结构优化技术在汽车行业的应用的基础上,对下横臂的轻量化设计提出了两套方案。全文围绕这两套方案,首先进行了原铸钢材料摆臂的载荷计算及其有限元分析,为这两套方案得到的结构优化设计结果作对比。第一套方案中采用锻铝合金材料和多工况下的结构优化技术,对下横臂的结构进行重新设计；并对新设计的锻铝材料下横臂进行有限元分析,与原铸钢摆臂的各项性能进行了对比,验证了锻铝材料下横臂结构上的可行性。优化结果表明,铝合金下横臂在满足各工况下强度和刚度要求的情况下,摆臂的重量相对于铸钢材料降低约12.23%。第二套方案中采用碳纤维复合材料和一种两阶段优化方法重新设计了下横臂的结构。第一阶段,采用第一套方案中的多工况下的拓扑优化方法,对碳纤维复合材料下横臂进行了设计,得到了新的下横臂拓扑结构；并对第一阶段优化后的碳纤维复合材料下横臂进行了有限元分析,分析表明,结构在强度上还有富余,需要对结构进行进一步的尺寸优化。第二阶段,采用尺寸优化技术对下横臂的铺层厚度进行了优化设计,得到了最优的铺层厚度,经分析第二阶段优化后的碳纤维复合材料下横臂相对于第一阶段优化的下横臂,在刚度上有所减弱,但是满足设计要求,说明这种方法是可行的。第二套方案设计的碳纤维复合材料下横臂在满足各工况下强度和刚度要求的情况下,摆臂的重量相对于铸钢材料降低约66.25%。综合比较两套方案设计的摆臂结构强度、刚度、质量、固有频率等性能,第二套方案中的碳纤维复合材料下横臂在同样满足性能的基础上,达到更明显的减重效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 汽车零部件轻量化研究现状
• 1.2.1 轻型材料在汽车上的应用现状
• 1.2.2 摆臂的结构优化技术研究现状
• 1.3 研究对象概述
• 1.3.1 双横臂式独立悬架特点
• 1.3.2 双横臂式独立悬架构造分析
• 1.3.3 双横臂独立悬架摆臂的概述
• 1.4 论文主要研究内容
• 2 铸钢悬架下横臂的有限元建模与分析
• 2.1 有限元分析方法及软件介绍
• 2.1.1 有限元分析方法
• 2.1.2 有限元分析软件介绍
• 2.2 悬架下横臂有限元建模
• 2.2.1 几何清理
• 2.2.2 网格划分
• 2.2.3 单元连接及其模型检查
• 2.2.4 材料属性
• 2.2.5 悬架下横臂的载荷计算
• 2.2.6 约束条件及加载
• 2.3 下横臂结构刚强度分析
• 2.4 下横臂强度评价指标及计算结果
• 2.5 下横臂自由模态分析
• 2.6 本章小结
• 3 多工况下锻铝下横臂的拓扑优化研究
• 3.1 结构优化概述
• 3.2 结构拓扑优化
• 3.3 多工况下锻铝下横臂拓扑优化
• 3.3.1 多工况下下横臂拓扑优化研究
• 3.3.2 锻铝下横臂拓扑优化问题定义
• 3.3.3 锻铝下横臂拓扑优化结果分析
• 3.3.4 锻铝下横臂的CAD重构
• 3.3.5 锻铝下横臂优化后结构的有限元分析
• 3.4 钢制材料与铝合金材料下横臂性能对比
• 3.5 本章小结
• 4 复合材料悬架摆臂结构优化设计研究
• 4.1 复合材料下横臂结构设计
• 4.1.1 复合材料悬架摆臂安全系数的确定
• 4.1.2 复合材料双横臂式独立悬架摆臂材料的选取
• 4.2 基于两阶段结构优化方法的复合材料摆臂轻量化设计
• 4.2.1 优化流程
• 4.2.2 多工况下复合材料下横臂拓扑优化设计
• 4.3 复合材料下横臂尺寸优化设计研究
• 4.3.1 结构尺寸优化介绍
• 4.3.2 多工况下复合材料下横臂尺寸优化
• 4.3.3 尺寸优化设置
• 4.3.4 尺寸优化后复合材料下横臂的有限元校核
• 4.4 三种不同材料下横臂的性能对比
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 全文结论
• 5.2 展望与建议
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢