复合材料横向稳定杆有限元分析及设计

本文基于层合板理论，结合各向同性材料稳定杆的刚度公式与纤维复合材料平板等效剪切模量的公式，推导出了复合材料稳定杆的刚度理论公式。接着，通过有限元模拟分别对金属与复合材料稳定杆进行刚度、强度分析。在相同刚度的情况下，复合材料稳定杆的强度完全满足要求，验证了复合材料稳定杆的可靠性，并且复合材料稳定杆相比金属横向稳定杆重量减轻52.2%，最后将刚度分析结果与理论计算进行对比，结果误差小于5%。本研究可为该类复合材料稳定杆的设计提供了一定的理论参考。

横向稳定杆作为汽车悬架系统的一种特殊的弹性元件，可以有效地增加悬架的侧倾刚度，从而减小汽车转向时车身的侧倾倾向，还可以恰当地分配前、后悬架的侧倾角刚度比值，有助于汽车获得所需要的转向不足特性。目前对于复合材料稳定杆的研究很少，Kim [1]使用第三代碳纤维增强塑料制造方法提高生产率，通过有限元分析确定复合材料稳定杆的几何参数，最终通过过程能力分析了制造方法的可行性。国内外目前对稳定杆的研究主要集中在优化设计与主动控制研究方面。伍文[2]提出一种新型长度可变、刚度可调节的非线性横向稳定杆，采用遗传算法对汽车性能进行优化。李能辉[3]对对汽车横向稳定杆的轻量化参数优化设计，评估不同参数汽车对横向稳定杆轻量化的影响，并获得最佳的结构参数。方辉[4]构建并改进汽车整体动力学模型，以悬架垂向刚度为基准对其灵敏度进行优化。潘海[5]对稳定杆在载荷作用下的位移和扭转刚度进行了研究，发现结构存在一些局部应力过大的问题，提出了结构优化方案，减小局部应力问题。Zhang [6]基于某款轿车进行参数化设计和有限元分析，并对稳定杆的结构强度和刚度进行了定性分析。Kon [7]提出了一种新的车辆液压主动稳定杆系统的主动侧倾控制算法，通过算法和仿真平台验证所提出的控制算法改善了车辆横摆动力学响应。

轻量化是实现节能减排和解决电动汽车续航历程不足的重要途径。实现手段包括：轻质材料替代、结构优化和先进制造及装配工艺应用。其中，轻质材料替代的轻量化效果最为显著。目前汽车悬架系统中板簧与螺旋弹簧等弹性元件在复合材料领域已经广泛使用。

Ke [8]引入材料制造复合材料板簧能使得在不降低承载能力甚至提升整车性能的情况下实现轻量化成为可能。相比同功能的金属螺旋弹簧，采用纤维增强树脂基复合材料制作的螺栓弹簧不仅能减重40%以上，而且具有断裂安全性，其缓冲减震能力和疲劳寿命理论上也明显高于金属螺旋弹[9] [10] [11]。

综上所述，目前汽车稳定杆集中在参数化优化与主动控制方面，而且由于复合材料的各向异性及其复杂性，人们对复合材料横向稳定杆的了解仍十分有限，这在一定程度上阻碍了它的推广。本文中首先针对复合材料横向稳定杆在众多轻量化材料中进行了选材，然后基于层合板理论和各向同性稳定杆理论建立复合材料稳定杆刚度模型， 最后通过有限元分析的方法对复合材料稳定杆的刚度强度性能进行模拟， 并对稳定杆模态进行分析，验证了复合材料稳定杆的可靠性。同时将理论计算结果与仿真结果进行对比， 误差在允许范围内，验证了复合材料稳定杆刚度理论的正确性。