纯电乘用车前悬下摆臂结构设计与轻量化

纯电乘用车前悬下摆臂结构设计与轻量化摘要为了解决在基础车平台上开发纯电动汽车过程中零部件借用时强度降低，以及整车质量增加需要零部件轻量化的问题，以某纯电动汽车下摆臂为研究对象，针对汽车前悬下摆臂的结构进行载荷工况和优化设计研究，旨在提高其性能和轻量化水平。首先，运用CAD软件进行下摆臂的三维模型设计，确定其基本形状和尺寸。其次，根据实际工况和设计要求，利用有限元工具进行了强度性能仿真分析，保证了其在各种工况下的稳定性和安全性。同时，通过模态分析，研究了其固有频率和振型，避免了共振现象的发生。最后，采用轻量化设计方法，对下摆臂进行结构优化，有效降低了其重量，提高了汽车的燃油经济性。实现了减轻下摆臂结构质量、增加里程的目的，为新能源汽车零部件的开发提供了一定参考。关键词：新能源；下摆臂；结构设计

AbstractInordertosolvetheproblemsofreducedstrengthwhenborrowingcomponentsandtheneedforlightweightcomponentswhendevelopingpureelectricvehiclesonthebasicvehicleplatform,aswellastheincreaseinoverallvehicleweight,aloadconditionandoptimizationdesignstudywasconductedonthestructureofthefrontsuspensionlowerarmofapureelectricvehicle,aimingtoimproveitsperformanceandlightweightlevel.Firstly,useCADsoftwaretodesignthe3Dmodelofthelowerswingarmanddetermineitsbasicshapeanddimensions.Secondly,basedonactualworkingconditionsanddesignreq3uirements,strengthperformancesimulationanalysiswasconductedusingfiniteelementtoolstoensureitsstabilityandsafetyundervariousworkingconditions.Meanwhile,throughmodalanalysis,itsnaturalfrequencyandmodeshapewerestudiedtoavoidtheoccurrenceofresonancephenomena.Finally,thelightweightdesignmethodwasadoptedtooptimizethestructureofthelowerswingarm,effectivelyreducingitsweightandimprovingthefueleconomyofthecar.Thegoalofreducingtheweightofthelowerarmstructureandincreasingmileagehasbeenachieved,providingacertainreferenceforthedevelopmentofnewenergyvehiclecomponents.Keywords:newenergy,lowerswingarm,structuraldesign

目录第1章引言 第1章引言1.1选题依据与意义1.1.1选题依据汽车前悬下摆臂是汽车底盘一个关键件，在车辆的行驶过程中传递、承载车辆纵向力、横向力以及垂向力的关键角色，起到支撑车身和减震器，并且缓冲行驶中的震动。车辆行驶中，需满足客户需要2年5万公里最基本的可靠性需要；同时车辆行驶中，不能带来车辆振动噪声的影响；在客户驾驶车辆过程中，让驾驶员体验操作稳定性和驾驶的乐趣；汽车前悬下摆臂的结构设计，需要从结构可靠性、NVH性能及操稳的刚度性能来进行设计。本课题选用纯电乘用车前悬下摆臂对象，从结构强度、模态方面进行结构设计和轻量化设计。1.1.2选题意义汽车摆臂是汽车底盘的重要零部件之一。车辆行驶中，如果摆臂组件发生变形，会直接影响车辆前轮的定位，降低行车稳定性；如果摆臂一旦断裂，会直接导致转向失控，将影响车辆及驾乘人员的行驶安全问题。能源危机，碳排放，新能源汽车已是发展趋势；各个国家已陆续发出燃油车退出市场的期限。在纯电车时代下，如果继续采用油车底盘结构，将无法发挥出电车的性能优势和空间优势等。因此在纯电车辆研发过程中，摆臂的结构合理设计，极其重要；同时车辆重量已成制约着纯电车辆行驶里程的至关重要因素，也是成本的重要指标，新能源汽车轻量化已成为汽车产业发展中一项关键性研究课题。新能源汽车的前悬下摆臂轻量化，在摆臂设计中也是一项重要工作。1.2纯电乘用车下摆臂综述1.2.1下摆臂的功能作用下摆臂作为纯电乘用车悬挂系统的重要组成部分，承担着连接车身与车轮、传递力和运动的关键任务。它主要具有以下几个功能作用：支撑与连接：下摆臂一端与车身相连，另一端则与车轮悬挂系统相连接，起到支撑车轮和车身的作用，确保车辆结构的稳定性和完整性。传递力和运动：在车辆行驶过程中，下摆臂负责将车轮受到的地面反作用力、侧向力以及制动、加速等工况下的力有效地传递给车身，同时也传递车身对车轮的控制运动，如转向和悬挂系统的调节运动。保持车轮定位：下摆臂的结构设计能够确保车轮在行驶过程中保持正确的定位，包括车轮的前束角、外倾角等，这对于保证车辆的操控稳定性、行驶安全性以及轮胎的均匀磨损至关重要。吸收与缓冲冲击：在不平坦的路面上行驶时，下摆臂能够配合悬挂系统吸收和缓冲来自路面的冲击，减少振动对车身和乘员的影响，提高乘坐舒适性。综上所述，下摆臂在纯电乘用车中扮演着支撑、连接、传递力和运动、保持车轮定位以及吸收缓冲冲击等多重角色，对于保证车辆的性能和安全性具有重要意义。1.2.2下摆臂的生产流程纯电乘用车下摆臂的生产流程通常包括：（1）材料准备根据设计要求，选择合适的材料，如高强度钢、铝合金或复合材料等。对所选材料进行必要的预处理，如切割、清洗和烘干等，以确保材料的质量和性能。（2）冲压与成型利用冲压机械对材料进行冲压成型，形成下摆臂的基本形状和结构。这一过程需要精确控制冲压力度和模具设计，以确保零件的精度和一致性。（3）焊接与组装对于由多个部件组成的下摆臂，需要进行焊接或螺栓连接等组装操作。焊接过程需要保证焊缝的质量和强度，而螺栓连接则需要确保连接的紧固性和可靠性。（4）热处理与校正根据材料特性和工艺要求，对下摆臂进行必要的热处理，如退火、淬火等，以改善材料的力学性能和稳定性。同时，对成型后的零件进行校正，消除因加工和组装过程中产生的变形或偏差。（5）表面处理为了提高下摆臂的耐腐蚀性、美观性和耐磨性，需要进行表面处理，如喷涂、电镀等。这一过程需要根据设计要求选择合适的涂层材料和工艺。（6）检测与测试对生产出的下摆臂进行严格的质量检测和性能测试，包括尺寸检查、材料性能测试、疲劳强度测试等，以确保其符合设计要求和使用标准。（7）包装与入库：经过检测合格的下摆臂进行包装，标识清晰，然后入库等待装车发运。通过以上生产流程，可以生产出符合要求的纯电乘用车下摆臂，为车辆的制造和装配提供关键零部件。同时，随着生产技术的不断进步和创新，下摆臂的生产流程也在不断优化和完善，以提高生产效率和产品质量。1.3纯电乘用车下摆臂结构设计流程及轻量化设计综述纯电乘用车的下摆臂结构设计流程通常包括：（1）需求分析与定义明确车辆类型、使用场景、性能需求等，对下摆臂的结构和功能进行定义。（2）概念设计根据需求，进行初步的概念设计，确定下摆臂的基本形状、尺寸和材料。（3）详细设计在概念设计的基础上，进行详细的结构设计，包括材料选择、连接方式、装配工艺等。（4）仿真分析利用有限元分析等方法，对设计进行仿真分析，验证结构的强度和刚度等性能。（5）优化设计根据仿真分析的结果，对结构进行优化设计，提高性能并降低成本。（6）样件制作与测试制作样件，进行实际测试，验证设计的可行性和性能。（7）设计完善与固化根据测试结果，对设计进行完善和调整，最终确定设计方案并固化。在纯电乘用车下摆臂的轻量化设计方面，主要考虑材料选择、结构改进、工艺创新这些方面。（一）材料选择轻量化设计的首要步骤是选择轻质高强度的材料。传统的下摆臂多采用钢材制造，而现在的轻量化设计则更倾向于使用铝合金、高强度钢或复合材料等。选择铝合金、碳纤维复合材料等高强度、低密度的材料，以降低结构重量。这些材料在保持足够强度的同时，能够有效降低下摆臂的重量。铝合金具有密度低、耐腐蚀、易于加工等优点，是轻量化设计的理想选择。通过采用先进的铸造或锻造工艺，可以制造出形状复杂、性能优良的铝合金下摆臂。高强度钢在保持较高强度的同时，也具有较好的韧性和可焊性。通过优化钢材的成分和热处理工艺，可以进一步提高其强度和轻量化效果。复合材料如碳纤维增强塑料（CFRP）等，具有极高的比强度和比刚度，是实现下摆臂轻量化的另一种有效途径。然而，复合材料的制造成本较高，且加工和连接工艺相对复杂。（二）结构改进在材料选择的基础上，通过优化结构形状、尺寸和连接方式等，提高结构的强度和刚度，同时降低重量。以此优化下摆臂的结构设计，实现轻量化目标。为了进一步实现轻量化，可以在下摆臂的非承载部位设计合理的孔洞，以减轻结构重量。这些孔洞的设计需要考虑到对结构强度和刚度的影响，通过仿真分析和实验验证，确保孔洞设计不会损害下摆臂的性能。采取拓扑优化：利用拓扑优化技术，可以找出下摆臂的最佳传力路径和材料分布，从而在保证性能的前提下减少不必要的材料使用。采用变薄设计：通过优化下摆臂的板厚，可以在保证强度和刚度的前提下降低重量。这需要精确计算和分析下摆臂在不同工况下的受力情况，以确定最佳的板厚分布。进行集成设计：将下摆臂与其他部件进行集成设计，可以减少连接件和冗余结构，从而减轻整体重量。例如，可以将下摆臂与转向节或减震器进行一体化设计。（三）工艺创新工艺创新也是实现下摆臂轻量化的重要手段。采用铸造、锻造、焊接、冲压等先进的制造工艺，提高材料利用率和加工精度。在结构设计过程中，还需要充分考虑到制造工艺的可行性。例如，考虑零件的成型、加工、焊接等工艺要求，避免设计出难以制造或成本过高的结构。同时，也要考虑到零件的互换性和装配性，以便提高生产效率和降低制造成本。精密铸造：采用精密铸造工艺可以制造出形状复杂、精度高的铝合金下摆臂，避免了传统加工方式中的材料浪费。激光焊接：激光焊接技术可以实现高强度、高精度的连接，同时减少焊接变形和残余应力，有利于提高下摆臂的性能和轻量化效果。热处理技术：通过热处理可以调整材料的组织和性能，进一步提高高强度钢的强度和韧性，实现更好的轻量化效果。因此，下摆臂的轻量化设计是一个综合性的过程，需要综合考虑材料、结构、工艺等多个方面。通过合理选择材料、优化结构设计和创新工艺手段，可以实现下摆臂的轻量化目标，提高车辆的性能和续航里程。纯电乘用车下摆臂的其他结构设计需要考虑疲劳强度设计、刚度和稳定性设计、振动噪声控制设计、安全性设计、维修便利性设计等内容。考虑车辆在实际使用过程中行驶、加速、减速、转弯等各种工况，对下摆臂进行疲劳强度分析，确保其在长期使用过程中不发生疲劳断裂。下摆臂的刚度和稳定性对于车辆的操控性和行驶稳定性至关重要。通过合理的结构设计和材料选择，保证下摆臂具有足够的刚度和稳定性，以提高车辆的操控性和行驶稳定性。下摆臂作为车辆悬挂系统的重要组成部分，其安全性设计至关重要。需要考虑到车辆在碰撞等极端工况下，下摆臂的结构和连接方式能够保证乘员的安全。综上所述，纯电乘用车下摆臂的结构设计需要综合考虑性能、安全性、可靠性、维修便利性、轻量化以及制造工艺等多个方面。设计出性能优良、结构合理的下摆臂，为纯电乘用车的发展提供有力支持。

第2章下摆臂设计2.1下摆臂生产方式分类和各自优缺点下摆臂作为汽车悬挂系统的重要组成部分，其生产方式的选择直接影响到产品的性能、成本以及生产效率。目前，下摆臂的生产方式主要可以分为铸造、锻造和冲压三种。以下是对这三种生产方式的分类及其各自优缺点的详细分析。2.1.1铸造1.优点设计灵活性高。铸造可以制造形状复杂、内部空腔的零件，非常适合下摆臂这种具有复杂结构的部件。材料利用率高。铸造工艺可以将金属熔液直接填充到模具中，减少材料浪费。生产成本低。对于大批量生产，铸造工艺的设备和模具成本相对较低，有利于降低生产成本。2.缺点：机械性能相对较低。铸造件的组织结构不如锻造件紧密，机械性能可能稍逊一筹。后期处理复杂。铸造件通常需要经过打磨、清理等后期处理，以去除毛刺和多余材料。2.1.2锻造1.优点机械性能优良。锻造工艺通过金属在模具中的塑性变形，使材料组织结构更加紧密，提高了零件的强度和韧性。材料利用率高。锻造过程中，金属材料的流动性好，能够充分利用材料，减少浪费。重量轻。锻造件可以通过优化结构设计，实现轻量化，降低汽车整体重量，提高燃油经济性。2.缺点设备成本高。锻造工艺需要高精度的模具和大型锻造设备，初期投资较大。生产周期长。锻造件的生产过程相对复杂，需要经过多道工序，生产周期较长。2.1.3冲压1.优点生产效率高：冲压工艺可以实现高速连续生产，适合大规模生产需求。成本低：冲压设备和模具相对简单，生产成本较低。表面质量好：冲压件表面光滑，无需进行复杂的后期处理。2.缺点设计局限性：冲压工艺受到模具的限制，对于形状复杂的零件制造较为困难。材料选择有限：冲压工艺通常适用于塑性较好的金属材料，对于某些高强度或特殊材料可能不适用。综上所述，铸造、锻造和冲压三种生产方式在下摆臂制造中各有其优缺点。在选择生产方式时，综合考虑下摆臂性能要求、生产规模、成本预算等因素，拟选择冲压工艺进行下摆臂生产。2.2下摆臂设计的技术要求下摆臂作为汽车悬挂系统的重要组件，其设计要求极为严格，需要满足一系列的技术指标以确保车辆的稳定性、安全性和舒适性。下摆臂设计过程中主要技术要求包括：1、载荷分析2、材料选择3、结构设计4、轻量化设计5、强度和刚度要求6.、模态分析7、安全性和可靠性。下摆臂的设计涉及多个方面的技术要求，其中结构设计和模态分析是下摆臂设计的核心环节。结构设计通过CAD软件进行精确建模，确定下摆臂的形状、尺寸和壁厚。结构设计应充分考虑下摆臂的刚性和强度，以及与其他悬挂系统部件的匹配性，利用有限元分析等工具对设计进行模拟和验证，确保设计满足实际使用要求。同时，还需要进行模态分析以确定下摆臂的固有频率和振型，避免共振现象，提高行驶舒适性。2.3下摆臂的CAD设计1、设计软件选择首先，选择一种广泛应用的CAD软件，如SolidWorks、AutoCAD或CATIA，作为设计工具。所选软件应具备强大的三维建模、装配和工程分析功能，以满足设计需求。2、三维建模使用所选CAD软件，根据下摆臂的设计要求和初步构思，进行三维建模。在建模过程中，考虑到下摆臂的结构特点，如受力情况、安装位置和运动特性等。通过绘制准确的几何图形、添加合适的约束和尺寸，建立下摆臂的三维模型。3、参数化设计为了方便后续的设计修改和优化，采用参数化设计方法。通过定义关键的参数和变量，使设计结果能够根据需要进行调整和修改。这样可以提高设计效率，减少重复工作，并且方便不同设计方案之间的比较和选择。4、装配关系建立下摆臂作为汽车前悬的一部分，需要与其他部件进行装配。在CAD软件中，建立下摆臂与其他相关部件的装配关系，确保其正确安装和运动。通过装配模型，可以检查下摆臂与其他部件之间的干涉情况，避免实际装配过程中出现的问题。5、设计验证在CAD软件中，进行下摆臂的设计验证。通过虚拟仿真分析，如有限元分析和运动学分析，评估下摆臂的力学性能和运动特性。根据仿真结果，对设计进行优化和改进，确保下摆臂满足预定的性能要求。6、设计优化根据设计验证的结果，对下摆臂进行优化。通过调整设计参数和结构，改善下摆臂的性能，减轻重量，提高强度和刚度等。设计优化是一个迭代过程，需要多次修改和验证，以达到最优的设计效果。根据下摆臂设计要求，下摆臂CAD设计三维视图如下图2-1和图2-2所示。图2-1下摆臂三维图图2-2下摆臂CAD工程图2.4本章小结本章详细探讨了下摆臂的生产方式分类及其各自优缺点，以及下摆臂设计的技术要求和CAD设计。通过铸造、锻造和冲压三种生产方式的对比，可以根据产品性能、成本和生产效率等要素，灵活选择最适合的生产工艺。在技术要求方面，下摆臂设计需综合考虑载荷分析、材料选择、结构设计、减重设计以及强度和刚度要求等多个方面，确保其在复杂多变的工况下能够稳定可靠地工作。CAD设计的引入，使得下摆臂设计更为精确和高效，能够直观地展现设计效果，并为后续的制造和加工提供有力支持。

第3章下摆臂强度设计某一款新能源电动车，其中整车底盘平台参考特斯拉系列设计。在该车的正向设计阶段和试制阶段，基于对整车的底盘系统进行动力学仿真和有限元仿真，以及疲劳耐久分析，确保底盘系统满足可靠性道路试验。同时利用有限元技术，对底盘结构的轻量化设计提供技术支持和优化方案。依靠CAE分析技术手段，对标杆车及目标车型进行刚强度和疲劳耐久分析，使之满足可靠性道路耐久试验目标要求及轻量化要求，技术方案如图3-1。图3-1强度耐久设计流程图3.1材料强度概念及强度理论3.1.1材料强度概念强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。在材料力学中，强度是描述材料力学性能的重要参数之一。它反映了材料在承受外力时，保持其完整性和稳定性的能力。强度涉及了抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等多个方面。抗拉强度是材料在拉伸状态下能够承受的最大拉力；抗压强度是材料在压缩状态下能够承受的最大压力；抗剪强度则是材料在受剪状态下能够承受的最大剪力。这些强度值通常通过实验测试得到，也可以通过数值计算进行预测。3.1.2强度理论强度理论则是对材料强度进行深入研究的结果。它主要研究结构或材料在受力过程中产生的物理现象，以及这些现象如何导致结构或材料的破坏和断裂。强度理论的基础是材料在受力过程中的应力状态和应变状态。它认为，当某种或几种应力（应变）超过材料所能抵抗的能力时，材料就会发生破坏。因此，强度理论的目标是建立相应的应力或应变不等式关系，即强度标准或强度准则，为工程实践提供理论计算方法和依据。在强度理论中，还涉及到不同的强度准则或理论，如最大主应力理论、最大应变理论、最大剪应力理论、能量理论和莫尔强度理论等。这些理论从不同的角度和侧重点出发，对材料的强度性能进行描述和预测。（1）第一强度理论（最大拉应力理论）公式：σ1≤[σ]内容：认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力。无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就会发生脆性断裂。使用条件：适用于脆性材料受拉的情况。对于没有明显屈服阶段的脆性材料，根据此理论，当危险点处的最大拉应力达到材料在单向拉伸时的极限应力时，材料发生脆性断裂破坏。（2）第二强度理论（最大伸长线应变理论）公式：ε1≤[ε]内容：认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限线应变εu，材料就会发生脆性断裂。使用条件：通常用于脆性材料，尤其是那些对应力集中的敏感性较高的材料。此理论在某些情况下可能过于保守，因为它没有考虑应力状态的其他方面。（3）第三强度理论（最大切应力理论）公式：τmax≤[τ]内容：认为最大切应力是引起屈服的主要因素。无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大切应力τmax达到单向剪切时的极限切应力τ0，材料就发生屈服破坏。使用条件：适用于塑性材料，尤其是那些受剪切应力影响较大的情况。此理论在某些情况下可能不够精确，因为它没有考虑正应力的影响。（4）第四强度理论（形状改变比能理论）公式：内容：认为形状改变比能是引起屈服破坏的主要因素。无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就发生屈服破坏。使用条件：适用于大多数金属材料，特别是那些经历复杂应力状态的情况。此理论提供了一个相对准确的屈服准则，考虑了所有应力分量的影响。3.2下摆臂有限元模型建立该车前下摆臂有限元模型的坐标系采用和CAD几何模型一致的右手直角坐标系：车长方向为X轴（朝车尾方向为正），车宽方向为Y轴（向右为正），车高方向为Z轴（垂直向上为正）。模型中长度单位为毫米，力单位为牛顿，质量单位为千克，重力加速度取1g=9800mm/s2。网格模型的建立必须满足有限元的一些基本原则，如网格数量、网格疏密度、单元阶次、网格质量等。壳单元主要质量标准见表3-1。表3-1壳单元主要质量标准翘曲度Warpage≤12度歪斜度Skew≤40度雅克比Jacobian≥0.65长宽比AapectRatio≤5四边形最小角45度四边形最大角140度三角形最小角30度三角形最大角120度文章以某纯电动车下摆臂为研究对象，首先对几何模型进行有限元网格划分，。仿真模型选取单元尺寸为5mm的壳体单元划分网格，模型单元共10574个；与转向节连接处用实体元划分网格，单元大小是5mm，共6760个。某车前下摆臂有限元模型如图3-1所示。图3-1前下摆臂有限元模型前下摆臂材料主要有钢板QSTE550，材料参数由上海合科提供，见表3-2。表3-2前下摆臂主要的材料参数材料名称弹性模量E（MPa）泊松比µ密度（Kg/m3）屈服强度（MPa）QSTE5502.1e+050.3007.85e-09550QSTE550是一种热轧汽车用钢，它具有较高的延展性能和抗拉强度，具体参数为：抗拉强度≥600Mpa，屈服强度≥550Mpa。这种钢材因其高强度和良好的塑性，被广泛应用于汽车结构零部件的制造，包括但不限于车身结构（如车顶、车门、车厢和底盘等）、汽车底盘的零部件（如前悬挂、后悬挂、转向架、刹车系统等），以及发动机和变速器零部件。有限元仿真模型的连接处相关参数设置如下表3-3所示。表3-3某车底盘前下摆臂连接位置描述连接方式位置描述连接方式A前下摆臂与前副车架连接前点BushingB前下摆臂与转向节球铰连接点球铰C前下摆臂与前副车架连接后点Bushing基于上述内容分析，按照所提供六方向刚度曲线或数值进行设置Bushing刚度，确保模型连接强度。BABA图3-2某车底盘前下摆臂连接示意图3.3强度性能仿真分析该车前下摆臂强度分析采用线性分析方法，计算结果只关注线性范围的应力，也就是低于材料屈服极限。零件应力值一旦超出屈服极限，则强度不足，该应力值只反映是否超出屈服极限，并不反映真实的零件在材料非线性范围的应力。前下摆臂以前驱车型为分析对象，工况设置如下：1、角度冲击工况——路障高度90mm，与车身Y向呈13°夹角，车身速度20Km/h2、下台阶工况——路障高度120mm，与车身Y向呈0°夹角，车身速度20Km/h3、转弯制动工况——车身加速度X方向要求0.8g,Y方向达到0.60g4、最大加速度工况——车身加速度X方向要求0.5g3.3.1仿真模型计算结果应力云图1下台阶工况图3-3下台阶工况根据应力云图分析可知，在下台阶工况下，下摆臂局部最大应力可达271.26MPa，最大应力所对应区域的面积相对较小，同一方向上的应力梯度不大，满足要求。2角度冲击工况图3-4角度冲击工况根据应力云图分析可知，在角度冲击工况下，下摆臂局部最大应力可达314.613MPa，小于材料屈服强度，满足要求。3最大加速度工况图3-5最大加速度工况根据应力云图分析可知，在最大加速度工况下，下摆臂底板处局部最大应力可达463.61MPa，最大应力所对应区域的面积相对较大，但满足强度要求。4转弯制动工况图3-6转弯制动工况根据应力云图分析可知，在转弯制动工况下，下摆臂局部最大应力可达325.61MPa，最大应力所对应区域的面积相对较小，同一方向上的应力梯度不大。3.3本章小结对所建模型进行仿真计算得到如表3-4所示的结果。表3-4仿真计算结果零件名称最大应力值（MPa）屈服强度（MPa）下台阶工况角度冲击工况最大加速度工况转弯制动工况前下摆臂271.26314.613463.61325.6550基于对上述仿真结果分析发现，在不同工况下所设计的前下摆臂结构最大应力均小于其屈服强度，力学性能参数满足实际强度要求。本结构强度设计可以保证汽车下摆臂在转弯制动、加速等情况下具备一定的安全可靠性。

第4章下摆臂模态设计4.1结构模态理论模态是结构的固有振动特性，每个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态形状。模态分析是研究结构动态性能的重要手段，通过模态分析可以了解结构在受到激励时的振动响应特性，从而预测和优化结构的动态性能。在下摆臂设计中，模态分析可以帮助工程师识别潜在的振动问题，如共振现象，从而避免在实际使用中出现问题。固有频率是结构在自由振动时的自然频率，它反映了结构对外部激励的响应能力。通过仿真分析，可以得到结构的多个固有频率值。这些频率值可以用于评估结构在不同激励条件下的振动特性。如果某个固有频率与预期的工作频率接近，那么结构在该频率下可能发生共振，导致过大的振动和应力。因此，在设计过程中需要特别注意这些潜在的共振问题，并采取相应的措施进行避免。在进行下摆臂模态设计时，需要考虑以下关键因素：材料选择：材料的弹性模量、密度等属性直接影响结构的模态特性。因此，在选择下摆臂材料时，需要综合考虑其力学性能和成本效益。截面形状和尺寸：下摆臂的截面形状和尺寸对其模态特性有显著影响。通过优化截面形状和尺寸，可以减轻重量，提高整车的燃油经济性。连接方式：下摆臂与车身和其他悬挂部件的连接方式也会影响其模态特性。合理的连接方式可以确保下摆臂在受到外力时能够稳定地传递力和力矩。综上所述，结构模态理论是下摆臂设计中不可或缺的基础理论。基于运用这些理论，并结合实际工程需求，可以设计出性能优异、安全可靠的下摆臂结构。图4-1基于Hypermesh软件的网格划分4.2模态仿真分析在基于hypermesh软件完成刚度模态仿真分析后，基于所得一系列具体的仿真结果，包括结构的固有频率、模态形状等。下面将结合具体的仿真结果进行分析，以揭示结构的振动特性和刚度性能。二、自由模态分析模态形状描述了结构在某一固有频率下的振动形态。通过仿真分析，得到结构在各个固有频率下的模态形状图，如图4-2到图4-10所示。自由模态是模态分析中的一个概念，它指的是对处于自由边界的结构进行模态分析，此时结构未受到任何位移约束。在这种情况下，可能会得到固有频率为0的模态，这种情况下的模态被称为刚体模态。自由模态分析时，模型不发生变形，只沿着三个轴发生移动和转动。本文模态分析采用自由模态分析法，获得下摆臂的前八阶固有频率及振型。相关仿真结果图形直观地展示了结构在振动时的变形情况，有助于了解结构的固有频率。如果某个模态形状显示结构在特定部位存在较大的变形，那么这些部位可能是刚度较弱的区域，需要加强设计。同时，模态形状还可以用于指导结构的改进和优化，以提高其抗振性能。图4-2第一阶模态振型云图图4-3第二阶模态振型云图图4-4第三阶模态振型云图图4-5第四阶模态振型云图图4-6第五阶模态振型云图基于对模态1到模态5对应得仿真结果分析可知，当结构固有频率增大时，局部受应力最大处的位置由前端连接处逐渐移动到一侧，应力梯度有变大的趋势。图4-7第六阶模态振型云图图4-8第七阶模态振型云图图4-9第八阶模态振型云图基于对模态6到模态8对应得仿真结果分析可知，随着结构在模态下频率的不断增大，局部受应力最大值先增大后减小，应力梯度变化较小，说明该模态下的频率不是固有频率，结构没有发生频率共振现象。从模态振型云图看到各阶阶固有频率值均为102或103数量级，说明从第一阶到第八阶对应的模态为弹性体模态，是评价结构动态特性时要考察的模态。图4-2至图4-9表示的是下摆臂的第一阶至第八阶模态振型，当下摆臂的工作频率达到某阶固有频率时，下摆臂将出现对应阶振型的变形状态。从图4-2至图4-9的各阶振型图中看出当频率值越大，结构变形越大，出现大角度的扭转和大位移的弯曲，若出现共振现象，这种变形会严重影响下摆臂的正常工作，甚至导致其失效和破坏，严重影响其他部件及整车的工作状态。因此为保证汽车安全地行驶在路面上，应该避免这种共振现象的发生。本文研究的每一阶模态相应的固有频率逐渐增大，平稳过渡，无明显突变，外界各激励频率均小于第一到第八阶及以上的固有频率，因此下摆臂的低阶固有频率远大于其共振频率，不会发生共振，并存在较大富余，说明能基于模态特性对下摆臂进行轻量化研究。三、综合分析与优化建议结合以上三个方面的分析，可以对结构的振动特性进行全面评估。如果发现结构存在共振风险、较大的变形等问题，需要根据具体情况进行优化设计。可以调整结构的几何形状、材料属性或连接方式等，以改善其振动特性。同时，模态分析结果表明下摆臂的低阶固有频率远大于共振频率，存在较大富余，说明该下摆臂结构存在一定轻量化空间。4.3本章小结本章主要介绍了下摆臂模态设计的基本原理和方法。通过结构模态理论的分析，明确了在设计下摆臂时需要考虑的关键因素。同时，详细阐述了下摆臂模态设计的方法与步骤，包括明确设计要求、建立数学模型、进行模态分析、优化设计方案以及验证设计效果等。这些方法和步骤为实际的下摆臂设计提供了有益的指导。在实际应用中，还需要根据具体车型和使用工况对下摆臂进行针对性的设计优化。通过不断的研究和实践，可以进一步提高下摆臂的性能和可靠性，为整车的操控性能和行驶稳定性提供有力保障。

第5章轻量化设计5.1轻量化概念及当前下摆臂轻量化现状5.1.1轻量化概念轻量化设计是现代工程设计中的重要理念，旨在通过优化结构设计、采用新型材料和先进制造工艺等手段，实现产品在不降低性能的前提下，减少自身重量，从而达到提高能效、降低成本和增强竞争力的目的。在汽车工业中，轻量化设计尤为重要，它不仅可以提高车辆的燃油经济性，减少尾气排放，还有助于提升车辆的操控性能和乘坐舒适性。5.1.2当前下摆臂轻量化现状下摆臂作为汽车悬挂系统的重要组成部分，其轻量化设计对于提高整车性能具有重要意义。目前，下摆臂的轻量化设计主要通过材料选择、结构优化、制造工艺创新、集成化设计来实现。尽管当前下摆臂轻量化设计已经取得了一定的成果，但仍然存在一些挑战和问题。在材料方面，传统的钢铁材料正逐渐被新型轻质材料所替代。高强度铝合金因其低密度和良好的抗腐蚀性成为首选材料。某知名汽车厂商研发的新型铝合金下摆臂，相比传统钢铁下摆臂，重量减轻了30%，而强度并未降低。此外，碳纤维复合材料也因其出色的比强度和比刚度受到关注，但其成本较高，目前主要应用于高端车型，但新型材料的应用可能带来成本上升和工艺复杂性的问题；在结构设计方面，研究者们通过模拟分析和实验验证，对下摆臂的截面形状、壁厚分布等进行了精细化设计。例如，采用空心结构设计，不仅减轻了重量，还提高了结构的抗扭刚度和抗弯刚度。同时，通过优化壁厚分布，实现了下摆臂在承受复杂载荷时的均匀应力分布，提高了其疲劳寿命。；同时，如何在保证性能的前提下实现最大限度的减重也是轻量化设计需要解决的关键问题。制造工艺的进步也为下摆臂轻量化提供了有力支持。精密铸造技术使得铝合金下摆臂能够一次成型，减少了后续加工工序，提高了生产效率。此外，激光焊接技术也被广泛应用于下摆臂的制造中，其焊接速度快、热影响区小，有助于提高下摆臂的整体性能。多材料混合设计成为下摆臂轻量化研究的新热点。研究者们尝试将不同性能的材料结合使用，以充分发挥各自的优势。在某款新型下摆臂设计中，采用了铝合金与高强钢的混合结构，既保证了强度要求，又实现了显著的轻量化效果。同时，先进连接技术也在下摆臂制造中得到了广泛应用。激光焊接、胶接等先进连接技术不仅提高了连接强度，还减少了连接件的数量和重量，有助于实现下摆臂的进一步优化。因此，未来下摆臂轻量化设计需要在材料、结构、工艺和集成化等方面继续进行深入研究和探索。5.2下摆臂轻量设计下摆臂作为汽车悬挂系统的重要组成部分，其主要功能是连接车身和车轮，传递来自车轮的力和力矩，确保车辆的稳定性和操控性。因此，在轻量化设计过程中，需要综合考虑材料选择、结构优化、制造工艺以及成本等多个因素，以实现下摆臂的最佳减重效果。轻量化目前常用的方法有结构轻量化、材料轻量化及直接减重。在结构方面，通过调整结构使其符合整车轻量化设计要求后，除了要考虑材料的选择和结构的优化，还需确保下摆臂的强度和刚性不受影响。通过有限元分析和拓扑优化技术对摆臂结构进行轻量化设计首先分析汽车不同工况条件下摆臂的受力情况，通过定义材料、约束和载荷,对原始模型进行初始强度分析，得到最差工况，然后根据强度分析结果中的应力分布确定优化设计空间，设定优化目标和约束条件，并指定形状约束方案进行拓扑优化，比较不同方案下的优化结果，选择合理方案，最后进行几何重构，并对重构后的模型进行强度校核，确保轻量化结构满足强度要求为了使下摆臂轻量化设计得以实现。在工艺方面选择冲压工艺，使得结构重量相比传统工艺减轻。此外，本文基于有限元分析现代设计方法，对下摆臂的结构在不同受力工况下进行分析，对比不同材料使用效果，在综合考虑结构的合理性和稳定性的同时选定材料。其次，通过对下摆臂厚度参数的优化，采用铝合金材料进行下摆臂设计，减轻下摆臂质量0.5kg，达到了轻量化设计要求。下摆臂结构的轻量化设计对于提升整车性能、增加行驶里程、降低燃油消耗以及减少环境污染具有重要意义。此外，还可以采用精密铸造、锻造和焊接等先进的制造工艺，进一步提高下摆臂的性能和可靠性。5.3本章小结本章对下摆臂的轻量化设计进行了深入探讨，重点从材料选择、结构优化以及制造工艺创新三个方面展开论述。在材料选择方面，分析了不同材料对下摆臂重量的影响，并对比了它们的力学性能和成本效益。通过选用铝合金、镁合金或高强度钢高强度、轻量化的材料，成功实现了下摆臂重量的显著降低。这些材料不仅具有优异的强度和刚度，而且能够降低整车的质量，从而提高燃油经济性和减少排放。在结构优化方面，利用有限元分析和拓扑优化等现代设计方法，对下摆臂的结构进行了精细化设计。通过减少冗余材料、优化截面形状和连接方式等手段，在保证下摆臂强度和刚度的前提下，进一步实现了轻量化。这种结构优化不仅提高了下摆臂的性能，还降低了制造成本和工艺难度。在制造工艺创新方面，我们关注于提高材料利用率和降低制造过程中的重量损失。通过采用铸造、锻造或激光焊接等先进的制造工艺，提高了下摆臂的生产效率和产品质量。这些新工艺不仅有助于实现轻量化目标，还提高了下摆臂的可靠性和耐久性。因此，通过材料选择、结构优化和制造工艺创新三个方面，可以实现下摆臂的轻量化设计。这种设计不仅降低了整车的质量