某SUV车型工装样车摆臂结构开裂问题优化分析

本文针对某款SUV车型工装样车襄阳试验场可靠性道路试验摆臂结构开裂问题，首先根据多体动力学模型输出的摆臂在各个极限工况下的受力情况对开裂摆臂进行强度和疲劳分析，使问题再现；在此基础上应用HyperMorph和HyperStudy优化模块对需要优化的几何结构进行优化，找到最佳的基于强度的优化几何尺寸，快速有效的解决工程验证中出现的实际问题。

1 开裂问题描述

某SUV车型工装样车襄阳可靠性道路试验中，出现摆臂下盖板焊缝处出现开裂，如图1所示。开裂区域满足材料要求、焊接质量要求，初步诊断为下盖板结构尺寸不到位，在某一极限工况下引起焊缝处应力集中，导致疲劳耐久问题引起的开裂。为了快速有效的解决这一工程实际中的开裂问题，首先应用多体动力学模型进行极限工况的仿真，输出各极限工况下摆臂三个接附点的受力情况，根据摆臂的受力情况对摆臂进行强度分析、焊缝疲劳分析、刚度分析，确定引起开裂的工况以及原因，使工程实际问题在CAE仿真中再现，由于后期出现的问题涉及到开模、时间周期等问题，最后决定通过优化下盖板与上盖板的连接尺寸进行开裂问题优化，应用HyperMorph和HyperStudy模块对下盖板进行基于摆臂的强度、刚度为目标的优化，最后对优化后的下盖板工程数据进行强度、刚度、疲劳的验证分析，快速有效的解决了这一开裂问题。

图1 某SUV车型摆臂开裂情况

2 整车多体动力学分析

本次分析多体动力学模型包括前悬架系统、动力总成系统、转向系统、稳定杆、后悬架系统以及车体，其中车体为刚体，动力总成简化为具有转动惯量的集中质量，悬架系统弹簧、衬套以及缓冲块的刚度以及阻尼都是实际样车测得的数据。根据样车襄阳实际道路可靠性试验情况输出摆臂典型的三个极限工况下的载荷，极限工况主要有颠簸工况、转弯工况、制动工况，各个极限工况的载荷见表1。

3 摆臂结构耐久性分析

通过对三个极限工况的分析，发现制动工况开裂位置应力最大，并且应力集中的位置和开裂位置一致，是导致开裂的主要工况，其他两个工况应力较小并且应力与开裂位置不符，因此后续的优化和验证分析都在制动工况下进行，分别计算制动方向的刚度、制动工况下的强度、制动工况下的疲劳损伤。

4 摆臂结构尺寸优化

强度分析结果表明开裂的主要原因是摆臂下盖板与上盖板搭接尺寸较小所致，主要通过优化下盖板的尺寸进行解决问题，但下盖板与上盖板搭接过多的话会引起三个接附点区域应力集中，导致开裂转移，因此下盖板结构优化到什么程度同时又不会引起其他地方应力升高导致开裂就成了解决问题的关键所在。

应用HyperMorph和HyperStudy模块对加强板进行优化，以满足应力小于材料的使用安全系数为条件，以下盖板图4红色箭头所示方向最佳的优化位置为目标进行优化，同时保证在制动方向的刚度不能降低，寻找下盖板的最佳位置，以满足其刚度和强度以及疲劳的要求，通过HyperMorph和HyperStudy模块优化后的下盖板的最佳尺寸见图4，在原来开裂的件的基础上沿红色箭头分别增加40mm、25mm。

5 摆臂结构优化验证

解决工程样车后期出现的路试可靠性问题一定要做到有效性、可实施性、周期短，为了验证通过HyperMorph和HyperStudy模块优化后确认的下盖板尺寸的有效性，对改进后的结构进行了刚度、强度以及疲劳耐久分析，分析结果表明各个性能均能保证后期的使用要求，优化前后各性能参数的对比见表2。后期襄阳两轮次4样车的可靠性路试中摆臂开裂位置以及摆臂其他位置均没有发生再次开裂现象，进一步验证了优化数据的有效性。

6 结论

通过在问题解决前期运用多体模型准确提取摆臂各工况的受力情况，根据受力情况准确分析摆臂的刚度、强度以及疲劳性能，使可靠性验证中出现的问题得以再现。找到问题原因后应用HyperMorph和HyperStudy模块优化出最佳的解决问题的几何结构，经过一体化的联合仿真使问题得以快速有效的得到解决，降低了后期问题整改的验证成本以及周期，充分体现了一体化仿真的价值所在。