基于拓扑优化空气弹簧托架的轻量化研究

1、基于拓扑优化空气弹簧托架的轻量化研究钱海青 1王海波 1程士顺 2（1 合肥工业大学机械与汽车工程学院）（2 安凯汽车股份有限公司车桥技术部）摘要空气弹簧托架作为空气悬架的主要部分，它的结构性能将直接影响整车的工作可靠 性。本文首先对空气弹簧托架进行有限元分析，在此基础上提出了基于拓扑优化方法与 有限元技术相结合的空气弹簧托架轻量化，并对优化后的模型加以验证。关键词：空气弹簧托架拓扑优化轻量化空气悬架系统是汽车钢板弹簧悬挂系统的更新换代产品，其独特的变刚度、低振动频率、抗道路凹 凸冲击的特点，有效地提高了汽车乘坐舒适性、行驶 平顺性以及操纵稳定性，同时还具有减少汽车自重、 提高运行速度、减少路

2、面破坏等多项性能，因此在公 路客车，特别是在高级大客车上的应用越来越广泛。 而空气弹簧托架是空气悬架关键零部件之一，主要 起支撑空气弹簧、连接悬架导向机构以及传递载荷 的作用，结构图如图 1 所示。由于空气弹簧托架在多 工况下承受较复杂的作用力，在满足强度的前提下 需要对空气弹簧托架进行轻量化研究。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全 性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而 提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。本文运用 ansys 针对空气弹簧托架进行有限元强度分析，并针对分析结果进行拓扑优化，从而提出托 架轻量化的优化方案，对整车轻量化的研究具有很 大的参考意义。1空气

3、弹簧托架有限元分析1.1有限元建模在 ug 中，将前悬托架模型以 parasolid 格式导 出，在 hypermesh 中对其进行中面抽取、几何清理和 网格划分等工作，然后将其导入 ansys 中，最终形成 有限元分析模型,如图 2 所示。模型的材料特性如表1 所示。1.2托架的承载情况及边界条件图 2前悬托架有限元模型图 1 空气弹簧悬架结构图14技术纵横轻型汽车技术2011（1/2）总 257/258轻整车质量，可以对弹簧托架进行轻量化设计。表 1材料特性名称弹性模量泊松比屈服极限钢板 bm510l206gpa0.3430mpa作用在托架上的载荷主要有:牵引力或制动力、由承载重量产生的垂

4、直载荷、不稳定运动时的动载 荷、通过不平路面时的冲击载荷、车轮侧向载荷等。 由于外载荷种类很多,而且变化很大,因此设计计算 时只能选择与托架结构破坏形式有关的、具有典型 性的载荷(简称计算载荷) 为依据。故选取作用在托 架上的计算载荷为竖直载荷和水平载荷。本文主要针对水平路面制动的情况, 根据该工 况的特点对模型采用下列约束条件：a)在与主销的配合孔面上约束全部自由度,即沿 x 、y、z 方向的位移为零, 绕 x 、y、z 轴旋转的角位 移也为零。b)由于减振器主要起减振作用,在减震器支座 施加大小为 1000kg 的力，考虑空气弹簧传递的载 荷，按照满载时的轴荷分配计算,满载时该车前轴负 荷

5、为 4800kg ,则一端承载 2400kg。制动时主要承受 纵向力，故在与悬架上、下横臂的配合孔面分别施加 纵向力 8629n、11128n。添加好约束和载荷后的模 型如图 3 所示。图 4 托架应力图图 5 托架变形图空气弹簧托架拓扑优化分析2拓扑优化是指形状优化，有时候也称为外形优化，拓扑优化的目标是寻找承受单位载荷或多载荷 的物体的最佳材料分配方案。拓扑优化不需要给出 参数和优化变量的定义，目标函数状态变量和设计 变量都是预定义好的。用户只需要给出结构参数（材料特性、模型、载荷等）和需要去除材料的百分 比。2.1托架的优化分析根据托架拓扑优化实际需要，选取体积(重量) 去除百分比作为优

6、化目标，具体采取了去除材料30方案执行。分析结果见图 6(图中蓝色（深色） 区域表示需要去除材料的部分，红色（灰色）区域 表示需要保留材料的部分，其他颜色是他们的过度 区域)。从图中可以看出，托架主要能优化的部位在 于减震器托架及上下摆臂连接孔附近。2.2结果分析根据以上拓扑优化后的图，在上下摆臂配合孔 面的厚度分别减小 20mm,减震器托架横梁两侧面厚图 3托架约束加载模型1.3托架的有限元分析根据前面叙述的边界条件和承载情况，计算该 工况下的结果，其应力分布图如图 4 所示，变形图如 图 5 所示。计算得出最大应力 92.5mpa，最大变形为0.5326mm，远小于屈服极限 430mpa。

7、其最大应力位 于上摆臂连接处附近，最大变形位于空气弹簧连接 处。由于托架的最大应力与屈服极限之间差距很大， 所以存在着材料剩余，为了提高材料的利用率和减轻型汽车技术2011（1/2）总 257/25815技术纵横法在托架轻量化中的使用，打破了传统设计的瓶颈，为整车 轻量化提供了有效途径；有限 元技术的利用验证了优化的正 确性与可靠性。因此，文中给出 的方法对未来产品的轻量化和 产品设计都具有很大的指导作 用，能够达到产品设计过程中 减少耗材，降低生产成本的目 的。图 6拓扑优化模型度分别减小 12mm, 另外去除上摆臂下的一个突起。具体情况如图 7 所示。图 8 优化后模型的应力图图 7优化后

8、的模型在拓扑优化分析过程中，根据设置的初始参数， 收集结果数据如表 2 所示。表 2拓扑优化结果对比2.3优化后模型的校核为了验证最终优化结果及所建立的履带架三维 模型结构的强度、刚度和可靠性等，对优化后所建立 的三维结构进行了有限元分析，所采用的载荷及约 束方式与拓扑优化时相同，分析结果如图 8、9 所示。 由应力图可以得 到，托架的最大应力为 151mpa，其发生部分有一定的转移，但结果仍小于 许 用 应 力 430mpa。 由变形图得最大变形为 0.741mm，与优化前相比，其位置基本上没有发生变 化。优化后的结果满足强度要求。图 9 优化后模型的变形图参考文献1赵韩等.汽车空气悬架的运动学仿真分析及 优化设计j.中国机械工程，2005,(2)2钱德猛等. 汽车空气悬架的弹簧支架的三维有限元分析及改进设计j.机械强度，2006，(4)3李舜酩.机械疲劳与可靠性设计m.北京：科 学出版社，20064beemann h j.static analysis of commercial vehicle frames:a hybrid finite element and analyti- cal-method j.i