汽车多材料控制臂拓扑优化方法*

陈潇凯，李 超，白影春，杨子发

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.北京汽车新能源汽车股份有限公司，北京 100176）

前言

随着新能源汽车的不断发展，提高汽车续驶里程和操纵性能成为新能源汽车产品有效竞争手段。控制臂作为汽车底盘结构的主要组成部分，其轻量化设计的重要性不言而喻。钢和铝合金等金属类型控制臂的设计潜力已挖掘殆尽，新材料和新结构成为进一步减轻质量和提高性能的重要途径。

在寻求新的结构形式方面，可以从生物界得到很多启发。大自然亿万年的进化孕育了众多比模量、比强度高的结构，例如蚕丝、动物骨骼和植物杆茎等。与传统材料（如金属、陶瓷等）不同，天然生物材料大多具有分级结构。例如，骨骼由骨密质、骨松质、骨髓以及包覆的骨膜组成，是一种具有多种填充材料的壳结构。骨骼具有较大的刚度、强度，能有效吸收外部冲击，且质量较轻。随着对轻量化结构的需求日益突显，具有壳特征的结构已经被广泛应用于航空航天以及建筑中。具有壳结构特征的控制臂成为了新可能，特斯拉Model 3和Model X的上控制臂使用冲压钢包覆PA6+GF50%工程塑料，实现了轻量并提高性能的目的；理想ONE的下摆臂则使用复合材料包覆高强钢，这种结构如同韧带附着在骨骼上，增加了整体强度。这两种形式的控制臂都可以看作具有壳/填充结构，控制臂内部复合材料加强筋的设计是通过巴斯夫专用CAE工具Ultrasim所开发。然而，这种将加强筋与其他结构分开单独设计的方式不可避免地缩小了整体优化问题的可行域。……