汽车铝合金转向节结构拓扑优化与有限元分析

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1、工程硕士学位论文汽车铝合金转向节结构拓扑优化与有限元分析作者姓名曾文豪学位类别车辆工程校内指导教师上官文斌教授校外指导教师潘孝勇高级工程师所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2018年4月StructuralTopologyOptimizationandFiniteElementAnalysisofVehicleAluminumAlloySteeringKnuckleADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZengWenhaoSupervisor：Prof.ShangguanWenbinSouthChin

2、aUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：U464.4学校代号：10561学号：201521003239华南理工大学硕士学位论文汽车铝合金转向节结构拓扑优化与有限元分析作者姓名：曾文豪指导教师姓名、职称：上官文斌教授潘孝勇高级工程师申请学位级别：工程硕士工程领域名称：车辆工程论文形式：□产品研发□工程设计应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：汽车底盘零件的结构轻量化设计与有限元分析论文提交日期：2018年4月12日论文答辩日期：2018年6月2日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：邬晴晖高

3、级工程师委员：上官文斌教授、康英姿副教授、赵学智教授、邱志成教授摘要汽车的轻量化是减少有害排放和降低能源消耗的有效途径。转向节作为汽车悬架中的重要零件之一，其承载簧上质量，承受工况恶劣且复杂，对其的结构强度要求较高，因此转向节多为使用强度较大的铸铁件，但其缺点是质量较大，也不容易在结构上进一步轻量化。目前越来越多汽车厂商将铸铁转向节改为铝合金转向节，然而直接改为采用铝合金材料，容易出现结构刚强度不足，通常的做法是在原来结构上增加较多的材料以获得足够的强度，但盲目地增加材料并不能高效地利用材料，导致最终减重效果不明显。为此，本文以某款SUV汽车转向节的轻量化开发项目为基础

4、，对其展开了基于拓扑优化的结构轻量化设计方法研究，并综合运用有限元分析和疲劳仿真分析预测转向节的静强度与疲劳性能，从而为铝合金转向节或底盘悬架中其他铝合金零件的结构轻量化设计提供有益参考。本文首先论述了转向节常见的载荷获取方法，根据载荷形式不同，对转向节分别建立三种有限元建模方法，分析了其各自的优缺点和适用性，结果表明惯性释放法可以更为有效地模拟实际受力状况。以某款转向节为研究对象，分析了对转向节进行拓扑优化的方法，并分析了在不同的工艺约束下拓扑优化结果的区别和优劣势，得出了更适用于锻造转向节的拓扑优化建模方法。同时根据拓扑优化结果进行了工程化结构数模的建立。对初步设计

5、的转向节模型进行刚强度分析，先对所采用的6082T6铝合金材料进行了多组单轴拉伸试验，由统计分析获得其用于有限元分析的材料参数。介绍了转向节在不同类型工况下的最大应力分析、最大累积塑性应变和永久变形分析的方法，同时分析了转向节各个安装点的刚度。为预测转向节的疲劳性能，先对转向节的材料疲劳特性曲线进行了预估，利用应力影响系数法求解了转向节在时间历程载荷谱下的应力（应变）响应，对转向节进行了二轴性分析，并对转向节进行多轴疲劳分析，结果满足了对该转向节疲劳强度的设计要求。对试制样件进行了表面应变测试并对有限元仿真结果进行验证，证明了转向节刚强度分析的有限元模型和疲劳分析中求解

6、时间历程载荷的应力响应结果的准确性。对样件分别进行了极限强度试验和疲劳试验，试验结果表明所设计的转向节均满足强度和疲劳耐久性要求。关键词：转向节；拓扑优化；轻量化；有限元分析；疲劳分析IAbstractWeightreductionisaneffectivewaytoreduceharmfulemissionsandenergyconsumptioninautomotiveindustry.Thesteeringknuckleisoneofthesafety-criticalcomponentsofthevehiclesuspension.Sinceittakesthe

7、roleofbearingtheupsprungmassandconnectsthewheelhub,steeringpartsandstrutassembly,ittoleratesacomplexandsevereloadswheninservice.Strengthbehavioris,therefore,akeyconsiderationofthesteeringknuckle.Thesteeringknucklemadeofcastironwithhighstrengthperformancehasbeenverycommonl