摆臂冲压半固态毛坯铝锭2下摆臂固态金属成型技术

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摘要: 为满足节能减排、轻量化的要求，现需对某副车架下摆臂进行以铝代钢的轻量化设计。 采用半固态铸造成型工艺，采用轻质A357铝合金材料替代原来的冲压钢材料。 对原有结构的冲压摆臂进行了重新设计，现有摆臂的硬点不变。 利用变密度法的拓扑优化技术获得模型结构，然后对模型进行重构，然后对重构模型进行强度和疲劳分析，验证其性能，实现摆臂的轻量化设计结构。 最终悬架下臂质量减少了1.18公斤，重量减轻了34.9%，达到了设计目的。

关键词：以铝代钢； 拓扑优化； 轻量化设计

0 前言

近来，随着国六排放标准的实施，汽车尾气排放要求越来越严格，对汽车轻量化的要求也越来越高。 减轻车身和底盘的重量势在必行。 以某车型钢制冲压下摆臂为例，采用铝合金半固态压铸工艺对原有冲压摆臂部件进行重新设计，在达到轻量化要求的同时，保证与原厂冲压下摆臂相当的性能。

以某副车架下摆臂为研究对象，利用拓扑优化后的重构模型进行强度分析和疲劳分析，并与原冲压摆臂进行性能对比。 在优化结构的基础上，进行了轻量化材料设计和半固态工艺应用。 与冲压摆臂相比，铝合金下摆臂组件的最终质量减少了34.9%。

1 半固态成型工艺简介

半固态金属成形技术是控制液态金属凝固以获得理想结构的新兴工艺。 此工艺可消除铸件内部缩孔、缩松等缺陷，铸件组织致密。 它是一种具有广阔应用前景的精密成形工艺[1]。 图 1 显示了半固态铝锭。

图1 半固态铝锭

2 下摆臂拓扑优化

2.1 下摆臂分析简介

摆臂作为安全部件，在设计时不仅要考虑模态、强度、疲劳等性能，还要保证其轻量化。 在进行结构设计之前，首先需要通过拓扑优化找到摆臂的最佳拓扑，然后对拓扑进行3D建模，综合考虑性能指标，对下摆臂进行分析验证，实现轻量化下摆臂的设计[2]。 图2为本例下摆臂的设计分析过程。

图2 铝合金下摆臂分析过程

2.2 拓扑优化

在本例中，使用Hyperworks/Optistruct模块对下摆臂进行拓扑优化[3]。 如图3所示，选择设计区域（深灰色）内单元的相对密度作为设计变量。 以深坑、冲击等13种强度条件下的最小加权应变能为目标函数，体积分数大于0.4为约束，最大应力参考约束小于200 MPa。 建立了下摆臂结构的拓扑优化模型。

图3 下摆臂拓扑图

经过迭代计算，得到前悬架下摆臂拓扑优化后的相对密度分布云（图4）。 图中灰色区域的单元相对密度接近1，是拓扑优化后需要保留的部分，而黑色区域的单元相对密度接近0，是拓扑优化后需要保留的部分。拓扑优化后需要删除的区域。 对于相对密度在0～1之间的过渡部分，需要根据工程经验进行选择。

图4 摆臂拓扑优化相对密度云图

2.3 模型重构

基于摆臂拓扑优化模型，结合实际基准模型摆臂和工程设计经验，采用3D数字模型对摆臂进行重构[4]。 图5至图7显示了重建模型，中间区域有凹形设计。 ，模型中间开孔，开圆孔是考虑到这里需要扭矩扳手来安装副车架和车身螺栓。

图5 重建的3D模型（结构1）

与结构1相比，结构2在A、B区域适当加宽，中间凹陷区域适当减薄； 与结构3相比，结构3在结构2的基础上在C位置加了肋和凸起，后续将对三种结构的摆臂进行强度分析，以确认摆臂的最大应力是否超过屈服强度每种工作条件下的强度。

图6 重建3D模型（结构2）

图7 重建的3D模型（结构3）

2.4 模型装配对比

图8为原下摆臂在悬架中的位置，采用分体式球头摆臂； 图9显示了重建的下摆臂模型在悬架中的位置，使用集成球头摆臂； 图10是冲压摆臂与铝合金摆臂球头的对比[5]。

图8 原装分体球头下摆臂

图 9 半固态模制一体式球头下摆臂

图10 冲压与半固态摆臂球节对比

3 强度分析

图11所示为多体动力学软件Adams/Car构建的前悬架动力学分析模型。 根据整车及悬架参数，结合摆臂强度工况，建立悬架静力仿真模型，提取摆臂各连接点处的载荷形成强度。 标定和疲劳标定提供输入[6]。

图11 动态模型

通过13种载荷对三种重构摆臂结构进行强度分析（因工况较多，仅列出最恶劣的工况）。 从分析结果可以看出，13种工况下下摆臂的应力均小于材料屈服强度[7]。

从图12至图14可以看出三种结构的摆臂在不同工况下的强度。 三种结构的最大应力基本位于同一位置，均位于最大圆弧的中部。 由于需要考虑轮胎包络线的影响，无法在最大弧度处进行修改，因此在结构3的摆臂C位置处进行了加固，结构3的最终应力最小为171.708 MPa，数字模型的最终质量为2.20 kg。 考虑到摆臂的安全系数约为1.5，摆臂上的最大应力最好低于260/1.5=173.3 MPa，因此后续的疲劳分析基于结构3进行验证。表1为三种结构摆臂的强度分析结果。 结构3的摆臂虽然不是最轻的，但却具有最好的强度性能。

图12 下摆臂前向制动应力（结构1）

图13 下摆臂前向制动应力（结构2）

图14 下摆臂前向制动应力（结构3）

表1 三种前下摆臂结构摆臂强度分析结果对比

4 疲劳分析

为了验证下摆臂的动态力学性能，通过路线图采集和载荷分解对Structure 3下摆臂进行疲劳分析和验证，并与冲压钢下摆臂进行对比。

图15显示了下摆臂左前点的分解道路谱载荷，图16显示了半固态铸造下摆臂的单位载荷加载。

图15 摆臂左前点载荷谱

图16 半固态铸造摆臂单位载荷加载

A357铝合金的抗拉强度为320MPa，QSTE460TM的抗拉强度为586MPa。 使用nCode进行疲劳分析后，得到冲压下摆臂和铝合金下摆臂的损伤云图，如图17至图19所示。

图17 冲压下摆臂钣金损伤云图

图18 冲压下摆臂焊缝损伤云图

图19 半固态成型下摆臂体损伤云图

通过分析，在保持原有硬点不变的情况下，选用A357铝合金材料，抗拉强度为320 MPa，屈服强度为260 MPa，延伸率为7%，半固态压铸成型工艺。 全新设计的铝合金下摆臂疲劳损伤值小于1，满足疲劳要求； 综合强度和疲劳验证表明，全新设计的铝合金下摆臂质量减少1.18公斤，重量减轻34.9%。 表2为冲压摆臂和铝合金摆臂的疲劳分析对比。

表2 下摆臂疲劳分析结果对比

5 结论

1）利用有限元分析工具，利用拓扑优化技术重构拓扑结构，对重构模型进行强度分析和疲劳分析，并与原冲压摆臂进行比较，以满足各种性能要求。

2）铝合金下摆臂质量为2.20公斤，钢结构摆臂总质量为3.38公斤，减少1.18公斤，减重34.9%。 铝合金摆臂模型的质量明显低于冲压钢结构摆臂。 从安全系数结果可以看出，采用半固态铸造铝合金轻量化摆臂不仅可以有效减轻质量，而且可以在一定程度上提高强度性能，这对轻量化设计具有重要意义汽车。

3）本文采用以铝代钢、下摆臂更换轻质材料的方法。 在保证性能和成本的同时，可延伸至转向节和各连杆摆臂，充分减轻底盘质量，不仅降低油耗。 ，对于提高车辆的稳定性和平顺性也能起到立竿见影的效果。

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