车辆工程技术39车辆技术0　概述
汽车悬架控制臂作为汽车悬架系统的重要组成部件，其质量的好
坏直接影响汽车行驶的安全性。汽车悬架控制臂在实际工作状况下，
经常会受到大小和方向不同的扭转力作用，随着受力次数的增加，其
某些部位会出现疲劳破坏，而汽车悬架控制臂的强度及疲劳特性影响
着汽车系统的可靠性。因此汽车悬架控制臂的疲劳寿命是设计中必须
要考虑的一个重要因素。1　汽车悬架控制臂三维模型建立（1）用三维激光扫描仪对汽车悬架控制臂进行扫描，获取此零件的点云数据。（2）对获得的点云数据进行处理及偏差分析，直到获得高精度的点云数据。（3）将获得的点云数据导入CATIA 软件中，建立汽车悬架控制臂的三维模型，具体汽车悬架控制臂逆向三维建模过程流程如图1所示。
浅谈汽车悬架控制臂有限元分析与结构优化
王　刚
（长城汽车股份有限公司保定技术研发分公司，河北 保定 071000）
摘　要：控制臂是汽车悬架系统的重要安全件和功能件。本文主要结合汽车悬架控制臂的实际受载状况，利用ANSYS 疲劳分析模块对其加载要求和结构设计优化。
关键词：
汽车悬架控制臂；ANSYS；有限元分析
图1
2　汽车悬架控制臂载荷分析（1）在对汽车悬架控制臂构件进行有限元疲劳强度分析时，通常要根据构件的实际情况定义边界条件，包括施加的载荷和施加的固定约束。对汽车悬架控制臂进行结构设计时，定义悬架控制臂在分别受拉、压达到破坏时所能承受的最大载荷为悬架控制臂的拉溃力和压溃力。（2）一般在进行悬架控制臂结构设计时，需要根据整车行驶工况，对整车进行动力学分析或者试验测试，从而计算出或试验测出控制臂所能承受的拉溃力和压溃力。（3）在汽车行驶的过程中，汽车悬架控制臂始终绕着与副车架连接的内侧铰点摆动，是一个运动件。汽车悬架控制臂与衬套之间、
衬套与螺栓之间为过盈配合，衬套通过芯部的螺栓固定在副车架上。汽车悬架控制臂中衬套绕螺栓的设计扭转刚度、汽车悬架控制臂的长度、车轮上跳的最大高度，则能确定衬套受到的扭矩的大小为，汽车悬架控制臂受到同样大小的反扭矩作用，但这个扭矩与实际工况下内侧铰点其它各平动方向的载荷相比是个很小的值，故对汽车悬架控制臂受力分析时可以认为控制臂的转动自由度不受限制。根据实际情况，对汽车悬架控制臂进行有限元分析时，在内侧铰点建立约束，限制其5个自由度（不限制内铰点转动自由度），对外侧球铰点进行加载。3　ANSYS 对控制臂的疲劳分析 （1）疲劳分析原理。疲劳是指结构在低于静强度极限的载荷重复作用下出现的疲劳断裂现象。而根据国外的统计，机械零件地破坏50%～90%是疲劳破坏。疲劳破坏通常有一些共同的特点：①断裂时无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，是突然的破坏。②
引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载荷时的屈服强度。③疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂的三个组成部分。（2）几何模型的转换及导入。由于ANSYS 具有完善的数据接口，可以与许多三维CAD 软件共享数据，利用ANSYS 的数据转换接口，可以精确地将CAD 平台上生成的几何数据文件导入ANSYS 中。本文
研究的汽车悬架控制臂没有具体的几何参数，是通过对原有的模型扫描、处理导入 CATIA 软件中建立汽车悬架控制臂的三维模型，然后再导入 ANSYS，将实体模型转化为有限元模型。 1）材料参数设置。汽车悬架控制臂材料一般为锻铝或铸铝，选择不同的规格型号材料来确定弹性模量、泊松比、密度为、
屈服极限、强度极限等特性参数，然后进行材料参数设置。
2）汽车悬架控制臂的网格划分。在ANSYS 分析模块中，分析计算的是有限元模型而不是几何模型，所以需要对几何模型进行网格划分。有限元划分就是将连续体进行离散化，利用简化几何单元来近似逼近连续体，然后根据变形协调条件综合求解。考虑到实际工作中汽车悬架控制臂弯曲处及外侧球铰点处强度薄弱，故此处网格划分应密集一些。3）汽车悬架控制臂的强度分析。在对汽车悬架控制臂进行结构优化及疲劳特性分析时，必须对此零件的强度进行校核。只有强度满足设计要求时，整个汽车悬架系统的寿命及可靠性才有可能提高。在ANSYS 软件中，首先对汽车悬架控制臂中的内侧铰点和外侧球铰点作约束，限制X 方向及Z 方向的移动和转动，然后对此零件作应力分析，得到汽车悬架控制臂的应力分布图。4　结构优化方法（1）提取汽车悬架控制臂在加速、制动、稳态回转和最高车速直线行驶4种工况下的受力，按均值加上3倍标准差的3σ原则，确定出悬架下控制臂所受载荷。（2）建立了控制臂的有限元和拓扑优化模型，根据控制臂的拓扑优化分析结果确定出其最优拓扑结构，并利用软件进一步建立了控制臂的参数化模型。（3）建立了控制臂的轻量化多目标优化设计数学模型，用第二
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代非劣排序遗传算法（NSGA-II）对控制臂进行轻量化多目标优化设计，确定出了控制臂的轻量化优化设计方案。（4）对轻量化前、后控制臂的低阶固有振动特性、强度和刚度进行分析和对比结果表明，在保持控制臂上述性能基本不变的条件下，最终确定轻量化后控制臂的质量。5　结束语汽车悬架控制臂通过载荷分析、ANSYS 软件等方法进行有限元分析与结构优化，能够实现快速分析和缩短开发周期，
从而降低开发成本，以便满足悬架系统的开发设计要求。参考文献：[1]张超勇，饶运清，李培根，等．柔性作业车间调度问题的两级遗传算法[J].机械工程学报,2007.[2]乐天聪.某轿车悬架控制臂有限元分析与结构优化[D].长春：吉林大学硕士学位论文,2009.