强度、刚度及稳定性是材料力学中提到的构件的三要素，但在乘用车底盘悬架开发过程中，一些结构件在受压时由于承载力不足而出现结构失稳，导致结构件的功能失效，这类问题称为屈曲问题。

 

目前在乘用车底盘悬架系统的开发过程中，受压结构件常常由于承载能力不足而发生屈曲失效。一些薄壁件在承受较大压力时，也容易发生屈曲。汽车底盘下控制臂，也叫三角臂，其作为汽车悬架系统中传力和导向的重要部件，其一端通过球铰与转向节连接，另一端通过衬套与副车架连接，控制臂将作用在车轮上的载荷传递给车身和底盘。

 

如果前下摆臂失效将直接影响车辆的正常行驶，所以对其进行屈曲强度分析非常有必要。

 

有限元模型建立

准确的前下控制臂的有限元模型是保证分析结果正确的前提。有限元模型的建立包括几何建模、网格划分、材料赋予、载荷施加等。图 1 为某车型的前下控制臂模型，确定控制臂的硬点位置，应用 rbe2 单元与网格进行耦合，图 2 为控制臂的有限元仿真模型。其中前下控制臂的材料牌号为 FB780，屈服强度 680MPa，抗拉强度为780MPa，材料的力学性能如表 1 所示，应力应变曲线如图 3 所示。

 

应用 Abaqus/Standard 对前下控制臂进行屈曲仿真计算，在外点加载整车 X 轴方向上的位移载荷，并且约束整车坐标的 Z 轴方向的平移自由度，在其他两个硬点处分别约束 123 自由度以及 23 自由度，边界条件以及载荷的加载如图 4 所示。

 

 

图 1 控制臂的数模

 

图 2 控制臂的仿真分析模型

 

表 1 材料力学性能

 

 

 

图 3 应力应变曲线

 

 

图 4 边界条件

 

屈曲仿真计算

得到前下控制臂的屈曲仿真计算结果，图 5 为前下控制臂的应力云图。从应力分布中可以看出，应力集中在工具孔附近以及控制臂的起筋边界处，而工具孔的左端受力较小，因此考虑在此处进行减重处理。通过提取加载点的支反力和位移得到屈曲强度，图 6 表示加载点的力和位移曲线，其峰值为前下控制臂的屈曲强度，为 39.95kN，而设计要求为 37.6kN 到 47kN 之间，满足设计要求并且具备减重空间。

 

 

图 5 应力云图

 

 

图 6 力-位移曲线

 

轻量化验证

根据后处理的结果对控制臂进行减重处理，在工具孔的左侧设计腰孔来达到轻量化的目的，如图 7 所示。通过同样的方法进行仿真计算，得到和力-位移曲线，如图 8 所示。由力和位移曲线可知，减重后的前下控制臂屈曲强度为 38.92kN，任在设计要求的范围内，能够满足设计要求的同时，质量由原来的 3.0kg 下降到 2.87kg。

 

 

图 7 优化后模型

 

 

图 8 优化后的力-位移曲线

 

材料对屈曲强度的影响

在屈曲强度的计算仿真过程中，考虑了材料的非线性问题，所以本节对材料属性对屈曲强度的影响进行了讨论。材料的原始力学性能如上述表 1 所示，屈服强度为 680Mpa，抗拉强度为 780Mpa，抗拉延伸率为 15%。在结构不变的条件下，分别调整屈服强度、抗拉强度以及抗拉延伸率，再拟合得到其对应的应力应变曲线，然后赋予前下控制臂的材料属性，最后对比屈曲强度的计算结果。调整后的材料力学性能如表 2 所示。

 

表 2 材料性能属性

 

 

通过拟合原始材料的应力应变曲线得到调整后的应力应变曲线，将这四种材料的应力应变曲线赋予到前下控制臂的有限元分析模型当中并进行屈曲强度分析，得到的应力云图如图 9 所示。加载点的力-位移曲线如图 10 所示。相同结构的条件下，不同应力应变曲线的前下控制臂的屈曲强度有着明显的差异。当屈服强度增加 10%，屈曲强度由 38.4kN 增加到 40.7kN，增加 6%；当抗拉强度增加 10%，屈曲强度由 38.4kN 增加到 38.8kN，增加 1%；当延伸率增加 10%，屈曲强度几乎没有变化，如表 3 所示。因此可以得出结论，屈服强度对屈曲强度的影响最大，而抗拉强度和抗拉延伸率对屈曲强度几乎没有影响。

 

 

图 9 应力云图

 

 

图 10 力-位移曲线

 

表 3 屈服强度增率

 

 

结束语

以某车型的控制臂为例，建立了屈服强度的有限元分析模型，分析结果表明：

(1) 前下控制臂原始模型的 X 方向屈曲强度为 39.95kN，满足设计要求；

(2) 减重后的前下控制臂 X 方向屈曲强度为 38.92kN，满足设计要求同时减重 0.13kg；

(3) 屈服强度对屈曲的影响最大，而抗拉强度和抗拉延伸率对屈曲强度几乎没有影响。

 

资料来源：达索官方