基于Workbench的车用转向节臂拓扑优化设计

在保证汽车行驶安全的前提下，克服汽车行驶过程中的冲击和振动，实现轻量化，对转向节臂进行模态分析和拓扑优化。通过UG对转向节臂建模，导入Workbench中进行模态分析和拓扑分析。利用有限元分析法对转向节臂进行模态分析，了解各阶固有频率和振型特点，得出动态特性，为优化设计中的研究分析结构动力特性提供依据。通过Workbench拓扑优化模块建立转向节臂优化模型，分析比较优化前后转向节臂的最大应力和最大位移，在符合使用要求的前提下，得出减重比达48.18%的转向节臂模型，对后续轻量化设计工作有指导作用。

根据相关的统计数据，在世界范围内，平均每分钟有一人因交通事故死亡[1]。面对严峻的交通安全形势，政府管理者和汽车消费者对汽车安全性的期望越来越高。汽车制动性能和汽车操纵稳定性能方面发生故障时能造成巨大危害，而在汽车操纵稳定系统中，汽车转向节臂具有重要作用。转向节臂发生故障将会导致汽车无法转向，造成严重的事故，甚至会威胁司机及乘客的生命安全。因此，对转向节臂进行分析和优化，对于保障汽车的行驶安全和人们的生命安全具有十分重大的意义。

当前，国内针对转向节臂的研究主要集中体现在以下方面：胡艳连等[2]将有限元分析软件和理论计算融合， 研究转向节臂的强度， 验证有限元分析软件的准确性；元涛等[3]通过仿真软件和改善加工工艺、热处理方法，针对转向节臂的疲劳耐久性、失效和强度问题，提出优化方向，提高疲劳耐久性和强度；王延强等[4]运用仿真软件对转向节臂的刚度、强度及疲劳耐久性进行模拟分析。

2. 有限元模型建立 转向节臂又叫梯形臂，是转向传动装置中最后一级传力零件。转向节臂不但承受来自地面的冲击力和车身的部分重力，还在车辆制动过程中承受扭转力的作用。

2.1. 建模 转向节臂的三维模型通过UG 软件建立。为了减少仿真计算时间，除了保留转向节臂原来的机械性能与结构特征， 将连接螺纹简化成直通孔， 并且也不考虑加工过程中出现的拔模角度和圆角等结构特征， 但保留减小应力集中的圆角[5]。最后转向节臂零件图如图1 所示。

2.2. 材料属性及单位制 该转向节臂选用40Cr 作为加工材料，各物理属性及单位如下表1 所示。

2.3. 网格划分 将模型导入Workbench 后，进行网格划分，网格大小为2 mm，转向节臂模型网格化后的节点数为664,596，单元数为473,957。转向节臂有限元模型如图2 所示。