乘用车悬架强度有限元分析

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概述

悬架的强度和耐久性能是影响汽车可靠性的关键因素。在整车开发的初期，就要对悬架部件进行有限元分析和结构优化，确保其强度符合设计要求。

悬架部件的使用场景复杂，失效模式多变，既可能发生疲劳破坏，也可能发生塑性变形，在极端情况下还可能发生瞬时断裂。所以悬架强度分析所用的载荷必须合理，既要覆盖尽可能多的实际场景，又不能过分苛刻而导致设计冗余。

实车路试配合虚拟迭代来分解载荷的方法已得到较广泛应用，利用虚拟试验场分解载荷的方法也有整车厂尝试。但这两种方法成本较高，且一般不考虑撞路沿、过沟、过坎等严苛场景，所获得的载荷通常仅适用于疲劳分析，不适用于极限工况强度分析。

基于经验工况进行载荷分解仍然是目前最常用的方案。这种方案既不需要物理样车路试，也不需要数字虚拟路面，成本低廉，而且在产品概念设计阶段即可实施。用于载荷分解的经验工况多达数十个，力图覆盖尽量多的使用场景。这些经验工况来源于主机厂多年的技术积累，已得到充分验证，而且随着用户需求和道路状况的变化，经验工况体系也在不断地修正和完善。

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多体动力学模型建立

悬架强度分析所施加的载荷来源于多体动力学仿真。我们需要在多体动力学软件中建立整车模型（也可只建立前后悬架模型）；对多体模型施加相应的外载荷，模拟各种工况；分解提取悬架部件各接附点的力和力矩；最后将分解出来的力和力矩施加于有限元模型，进行静强度计算。

用于分析操稳性和平顺性的整车多体模型非常复杂，但悬架载荷分解所需的整车多体模型相对简单得多。我们可以忽略掉动力传动系统，只保留车身、转向系统、悬架系统和车轮，如图1。

图1 用于载荷分解的整车多体模型

车身和悬架部件用刚性体或者柔性体（MNF中性文件）均可，载荷分解的结果差异很小。使用柔性体虽不会明显提升分解精度，但可以按有限元模型的接附点节点号来输出载荷，载荷文本可直接粘贴到有限元输入文件，相比刚性体更为方便。

建立载荷输出时，应按局部坐标系输出各接附点载荷。局部坐标系固定在部件上，在仿真过程中随部件一起运动。建议局部坐标系各轴的初始方向与整车坐标系保持一致。

对于整车多体动力学模型，需要进行必要的校核，以保证其准确性。

首先进行K&C校核。对比悬架K&C仿真结果与台架试验结果以校正多体模型。
然后进行整车静平衡校核。通过整车静平衡仿真，校核前后轴荷，修正弹簧自由长度，检查接附点的载荷对称性。
最后进行运动关系校核。在轮心处施加垂向位移激励进行仿真，回放仿真动画检查各部件间的运动约束关系是否合理。

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载荷分解工况定义

悬架部件的载荷分解，通常是基于经验工况，经验工况涵盖了加速、制动、转向、颠簸等各种场景。本文以欧洲常用的悬架载荷分解27工况方案为例进行讨论，如图2所示。

图2 悬架载荷分解27工况定义

图2中的27个工况均为静力工况。所有工况都是车身固定，方向盘固定，在车轮接地点或者轮心位置施加力和力矩。其中第7、11和20个工况是四驱工况，两驱车辆不需要考虑。

通常需要采用两套整车多体模型进行载荷分解。一套用于涉及制动的工况，限制车轮跟转向节之间的相对转动；一套用于非制动工况，限制车轮跟大地之间的相对运动。

涉及加速和制动的工况要考虑轴荷转移，涉及转向的工况要考虑轮荷转移。轴荷和轮荷转移体现在四个车轮接地点的Z向载荷数值上。

对于每个工况，在多体动力学软件中进行准静态分析，静力平衡后输出每个部件各接附点的载荷，可以输出为常用软件的格式，如图3。

图3 多体动力学软件中的载荷输出设置

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有限元建模

如果悬架部件为钣金件，应采用壳单元建模，以四边型单元为主，尽量减少三角形单元的使用。与车身网格相比，底盘件网格应当更细致，壳单元尺寸建议控制在5mm之内。

铸造或锻造件则应采用一阶六面体实体单元建模，建议选择减缩积分格式。对于形状复杂的部件，使用六面体单元建模可能有困难，此时可考虑使用二阶四面体单元。实体单元尺寸建议控制在3mm之内。

对于铸造或锻造件，推荐在其外表面包裹一层薄壳单元，与实体单元实现节点融合。薄壳单元的厚度可取0.01mm，赋以与实体单元相同的材料。利用薄壳单元可以更精确的提取部件表面应力。

图4 悬架部件有限元网格示例

悬架部件的每个接附点应建立刚性单元来模拟该处的球头或衬套。力或力矩通过刚性单元将集中载荷分布到至连接孔周边。建立刚性单元时要根据实际情况来确定是采用RBE2还是RBE3，如图5。如果该位置是与衬套或球头的中心螺栓连接，则应采用RBE2，并且用Bar单元模拟螺栓，力和力矩载荷施加于Bar单元。如果该位置是与衬套或球头的外壁直接连接，则应采用RBE3单元，力或力矩施加于RBE3单元的中心点。