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NASTRAN在车辆轻量化设计中的应用
长城汽车股份有限公司 马晓磊
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摘要：本文介绍了基于NASTRAN 的车辆轻量优化设计思路和方法。并通过对某款车型下摆臂的优化实例，详细阐述了如何运用NASTRAN 工具，在保证构件强度、模态及寿命的要求下，对构件进行轻量化设计的方法。
关键词：摆臂 强度 模态 寿命 优化
1 引言
近年来，由于能源危机的日益突出，汽车行业面临前所未有的挑战，面对危机各汽车公司均对车辆进行了轻量化设计。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100 公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6 升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车的悬架系统作为车辆的重要组成部分，在车辆系统中发挥着重要作用：1 缓和抑制由不平路面引起的震动和冲击，保证乘员乘坐舒适和所运货物完整；2 除传递汽车垂向力以外，还传递其它方向的力和力矩，并保证车轮和车身间的确定运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。
麦弗逊式悬架由于其性能好、结构简单、制造成本低的特点，被应用于几乎所有轿车的前悬架中。麦弗逊悬架主要由下摆臂、球销座、转向节、减震器及螺旋簧组成。在车辆行驶过程中，来自地面的载荷经轮胎传递至转向节然后经减震器及下摆臂分别传递至车身和副车架。下摆臂作为重要的传力部件，在设计时需要保证具在 强度、寿命及模态方面满足一定的要求。下面以某款车型的麦弗逊悬架下摆臂为例，详细介绍NASTRAN 在车辆轻量化设计中的应用。
2 有限元分析
下表（表1）为某款车型下摆臂的初始设计方案：

（图片）

图1 初始方案

表1 初始设计方案

（图片）

根据设计部门给出的初始方案（图1），利用通用有限元软件建立了下摆臂总成的有限元模型（图2）。模型中，单元基本尺寸为10mm；下摆臂本体与加强板之间的缝焊采用RBE2 单元模拟；螺栓联接采用RBE2 单元模拟；橡胶衬套采用CBUSH 单元模拟；约束下摆臂前点、后点处的自由度；下摆臂外点处施加纵向载荷F1，横向载荷F2。采用MSC NASTRAN 求解器进行静态计算、动态计算及损伤计算（见图3-5）。

（图片）

图2 初始方案有限元模型

（图片）

图3 静强度计算

（图片）

图4 动态计算

（图片）

图5 损伤计算

初始设计有限元计算结果：
下摆臂本体 mm 3.5
下摆臂加强板 mm 3.0
质量 Kg 3.8
最大应力 MPa 136
一阶频率 Hz 522
寿命 >1E7
3.优化设计：
应设计部门的要求，对初始设计进行轻量化设计，同时保证其在强度、模态及寿命方面的要求。
目标函数： 质量最轻 min(mass)
设计变量：下摆臂本体厚度 up_thickness
下摆臂加强板厚度 down_thickcess
约束函数： 最大应力约束： max_stress ≤ 250Mpa
一阶频率约束： Fir_fre ≥ 400Hz
材料厚度约束： 1mm ≤up_thickness ≤ 3.5mm
1mm ≤down_thickness ≤3.0mm
优化流程如下：

（图片）

详细设计流程图：

（图片）

经过优化分析，得到符合约束条件的最优方案：
1. 下摆臂本体厚度 2.4 mm；
2. 下摆臂加强板厚度2.8 mm
优化后结构的强度、模态及寿命结果（图6-8）：

（图片）

（图片）

图8 寿命计算结果

下表为优化前后相关指标对比：

（图片）

由上表数据对比可得：
优化后结构质量为3.0 Kg，较原始设计方案的3.8 Kg 减轻了0.8 Kg,重量减轻20 %，同时保证了零部件的相关设计指标，避免了“设计过剩”。
4 结束语
应用MSC NASTRAN 软件，可以有效地对零部件进行轻量化设计，同时保证了零部件在强度、模态及寿命方面的设计开发要求，有效的减少设计变更，缩短开发周期。
5 参考文献
[1] MSC.Nastran Quick Reference Guide
[2] DesignLife User Guide 6.0 4/5/2011

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