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。

圖1 某SUV車型擺臂開裂情況

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。

3 擺臂結構耐久性分析

通過對三個極限工況的分析，發現制動工況開裂位置應力最大，并且應力集中的位置和開裂位置一致，是導致開裂的主要工況，其他兩個工況應力較小并且應力與開裂位置不符，因此后續的優化和驗證分析都在制動工況下進行，分別計算制動方向的剛度、制動工況下的強度、制動工況下的疲勞損傷。

4 擺臂結構尺寸優化

強度分析結果表明開裂的主要原因是擺臂下蓋板與上蓋板搭接尺寸較小所致，主要通過優化下蓋板的尺寸進行解決問題，但下蓋板與上蓋板搭接過多的話會引起三個接附點區域應力集中，導致開裂轉移，因此下蓋板結構優化到什么程度同時又不會引起其他地方應力升高導致開裂就成了解決問題的關鍵所在。

應用HyperMorph和HyperStudy模塊對加強板進行優化，以滿足應力小于材料的使用安全系數為條件，以下蓋板圖4紅色箭頭所示方向最佳的優化位置為目標進行優化，同時保證在制動方向的剛度不能降低，尋找下蓋板的最佳位置，以滿足其剛度和強度以及疲勞的要求，通過HyperMorph和HyperStudy模塊優化后的下蓋板的最佳尺寸見圖4，在原來開裂的件的基礎上沿紅色箭頭分別增加40mm、25mm。

5 擺臂結構優化驗證

解決工程樣車后期出現的路試可靠性問題一定要做到有效性、可實施性、周期短，為了驗證通過HyperMorph和HyperStudy模塊優化后確認的下蓋板尺寸的有效性，對改進后的結構進行了剛度、強度以及疲勞耐久分析，分析結果表明各個性能均能保證后期的使用要求，優化前后各性能參數的對比見表2。后期襄陽兩輪次4樣車的可靠性路試中擺臂開裂位置以及擺臂其他位置均沒有發生再次開裂現象，進一步驗證了優化數據的有效性。

6 結論

通過在問題解決前期運用多體模型準確提取擺臂各工況的受力情況，根據受力情況準確分析擺臂的剛度、強度以及疲勞性能，使可靠性驗證中出現的問題得以再現。找到問題原因后應用HyperMorph和HyperStudy模塊優化出最佳的解決問題的幾何結構，經過一體化的聯合仿真使問題得以快速有效的得到解決，降低了后期問題整改的驗證成本以及周期，充分體現了一體化仿真的價值所在。