鋁合金壓鑄減震器塔結構設計研究

魯后國，張炳力

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鋁合金壓鑄減震器塔結構設計研究

魯后國1，張炳力2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

減震器塔是汽車上重要的承載部件，鋁合金減震器塔是汽車上應用鋁合金實現(xiàn)輕量化的典型之一。文章以某電動車型的鋼制減震器塔為研究對象，開展鋁合金減震器塔的設計，通過采用拓撲優(yōu)化的方法，并結合壓鑄工藝約束，經(jīng)過多輪優(yōu)化，完成鋁合金減震器塔結構設計。最終通過仿真分析和實物驗證，鋁合金減震器塔相對鋼制減震器塔在性能不降低的前提下可實現(xiàn)45%的輕量化。

拓撲優(yōu)化；減震器塔；輕量化；仿真分析

引言

汽車輕量化是解決“節(jié)能”、“安全”、“環(huán)保”的最有效手段之一。研究表明，汽車每降低100 kg，可節(jié)省燃油0.3～0.5 L/100km，可減少二氧化碳排放8～11 kg/100km[1]。隨著技術的進步，鋁合金在汽車上應用越來越廣泛，鋁合金應用形式已不再局限在擠壓件和沖壓件，壓鑄鋁合金件也越來越多被用車身結構件，實現(xiàn)進一步的輕量化。

汽車結構件一般為汽車的承載件或受力件，與汽車的安全性能密切相關[2]，減震器塔是汽車減震器的安裝點，是車身上重要的承載部件。目前，隨著鋁合金壓鑄技術的進步，大型復雜薄壁鋁合金壓鑄件性能大幅提升，在車身上應用逐步推廣，鋁合金壓鑄減震器塔即是其典型應用代表之一。

本文基于某電動車型的鋼制減震器塔，以減震器拓撲塔剛度為約束開展拓撲優(yōu)化設計，并基于鋁合金壓鑄工藝約束，通過多輪優(yōu)化，獲得鋁合金壓鑄減震器塔結構，最終經(jīng)仿真分析和實物驗證，在性能不降低的前提下實現(xiàn)約45%的輕量化。

1 某電動車型鋼制減震器塔結構

某電動車型的前鋼制減震器塔，由11個鋼制件通過焊接而成，整個減震器塔共有96個點，9段二氧化碳保護焊，重量6.58kg，如下圖1。

圖1 鋼制減震器塔結構

減震器塔是車身上承載件，其核心性能指標為剛度。根據(jù)減震器塔的受力情況，結合鋼制減震器塔的性能，建立鋁合金壓鑄減震器塔優(yōu)化指標如下表1所示。

表1 減震器塔剛度性能指標

2 減震器塔結構設計

2.1 拓撲優(yōu)化設計

為了尋求最有效、最合理的減震器塔載荷路徑，結合本次優(yōu)化是在已量產的鋼制減震器塔結構進行的，設計空間確定應遵循最大程度上沿用已有的鋼制邊界。以原鋼制減震器塔外表面為中間參考面向內外各平均偏置10mm厚度，減震器以及控制臂的安裝面不變。建立拓撲優(yōu)化空間如下圖2。

圖2 拓補優(yōu)化空間三維模型

圖2中紫色部分：設計區(qū)間，拓補優(yōu)化觀察重點部分；紅色部分：非設計區(qū)間，和其它零部件焊接連接。

圖3 拓撲優(yōu)化結果

考慮到減震器塔與電機艙的隔絕要求，結合市場上鋁合金壓鑄減震器塔的本體厚度普遍為3mm。因此本次拓撲優(yōu)化時在設計空間中選取原鋼制減震器塔外表面向外偏置3mm作為非設計空間。經(jīng)多工況拓撲優(yōu)化后，得到加強筋如下圖3。圖3中紫色區(qū)域為結構加強區(qū)，需設置加強筋；紅色區(qū)域為一般結構區(qū)，不需設置加強筋。

由此拓撲優(yōu)化模型得到的鋁合金壓鑄減震器塔概念結構如下圖4。

圖4 鋁合金壓鑄減震器塔初版結構

2.2 壓鑄工藝特征設計

由于鋁合金減震器塔采用高真空壓鑄成型技術，因此需要確保鋁合金壓鑄減震器塔具備良好的壓鑄工藝性。本次鋁合金壓鑄減震器塔拔模角度設計為22.5°，在內側面設計間距100mm的頂出特征，頂出特征為直徑10mm的凸臺。

結合壓鑄工藝約束和拓撲結果，建立鋁合金壓鑄減震器塔初版結構（重量3.42kg）如下圖5。

圖5 鋁合金壓鑄減震器塔初版結構

2.3 仿真分析及結構優(yōu)化

圖6 鋁合金壓鑄減震器塔有限元模型

表2 初版減震器塔剛度性能指標

鋁合金壓鑄減震器塔為左右對稱件，截取部分車身（選擇右減震器塔包），約束全部自由度，在減震器塔、上擺臂前后安裝點施加載荷，考察減震器塔加載點位移量。有限元模型如上圖6所示，分析結果如上表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出初版鋁合金壓鑄減震器塔已滿足性能指標要求，但與鋼制結構尚有一定差距，需進一步優(yōu)化。對比各工況位移值，發(fā)現(xiàn)垂直2.5g工況的位移差距最大，通過位移云圖（下圖7）可以看出初版減震器塔的側向支撐不足。

圖7 垂直2.5g工況位移云圖

因此，對鋁合金壓鑄減震器塔的側向支撐進行加強，具體為：①對減震器安裝點外側區(qū)域本體料厚由3mm增加到4 mm；②此區(qū)域加強筋增加，并增加環(huán)狀筋。詳見下圖8示意。

圖8 鋁合金壓鑄減震器塔結構優(yōu)化示意圖

優(yōu)化后鋁合金壓鑄減震器塔重3.62kg，相對鋼制減震器塔減重2.96kg，減重率45%。分析結果如下表3所示。

表3 優(yōu)化后減震器塔剛度性能指標

從分析結果看出，鋁合金壓鑄減震器塔局部剛度除垂直2.5g工況變形量與鋼制減震器塔存在0.01mm差距，其他工況均優(yōu)于鋼制減震器塔。

3 鋁合金壓鑄減震器塔實物驗證

3.1 鋁合金壓鑄減震器塔剛度試驗設計

鋁合金壓鑄減震器塔剛度試驗采用與鋼制減震器塔對比方式進行。

剛度試驗以測定Z向剛度為主，采用絲杠螺旋運動升降機進行加載，分別用載荷傳感器（誤差±1N）和位移傳感器（誤差±0.01mm）采集載荷和位移數(shù)據(jù)。加載點用專用夾具將載荷施加在減震塔三個連接點上，加載點為專用夾具螺孔；加載力從0～1000N，且按每100N為梯級，逐級加載，加載力軸線垂直向下，如下圖9所示。

圖9 剛度試驗示意圖

3.2 試驗結果

剛度測試結果如下圖10所示。由測試結果可以看出，鋁合金減震器塔的剛度值遠大于鋼制減震器塔。

鋁合金壓鑄減震器塔測試數(shù)據(jù) 鋼制減震器塔測試數(shù)據(jù)

4 結論

1）拓撲優(yōu)化技術可以應用到鋁合金壓鑄減震器塔的結構設計中，可有效識別出加強筋的分布。

2）經(jīng)過驗證，鋁合金壓鑄減震器塔相對鋼制減震器塔在性能不降低的前提下，可實現(xiàn)45%的輕量化效果。

[1] 趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].技術與市場,2010,7（2）:35-39.

[2] 萬里,潘歡,羅吉榮.高真空壓鑄技術及高強韌壓鑄鋁合金開發(fā)和應用的現(xiàn)狀及前景[J].特種鑄造及有色合金,2007,27（12）:939-942.

Research on Structure Design of Aluminum Die Casting Shock Tower

Lu Houguo1, Zhang Bingli2

（1.Anhui Jianghuai Automotive Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601; 2.Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009）

The shock tower is an important load bearing part of the automobile. It is one of the typical lightweight applications of aluminum alloy in automobile. This paper takes the steel shock tower of EV as the research object, carries out the design of aluminum alloy shock tower, and completes the structural design of aluminum alloy shock tower by adopting topological optimization method and combining with the constraints of die-casting technology and through multi-round optimization. Finally through simulation analysis and physical verification, aluminum alloy shock tower can achieve 45% of the lightweight relative to steel shock tower in the same performance.

Topology Optimization; Shock Tower; Lightweight; Simulation Analysis

U467.1

A

1671-7988(2019)05-135-03

U467.1

A

1671-7988(2019)05-135-03

魯后國，(1980-)，男，安徽合肥人，在職工程碩士，高級工程師，主要研究方向：汽車車身設計。

復雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成行與應用關鍵共性技術（2016YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.041