某車型前副車架輕量化優化分析

周麗杰

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

引言

對于新能源電動汽車來說，減輕重量，實現輕量化，對增加其行駛里程和提高車身的耐久性和安全性有著非常重要的意義，有目標地減輕汽車自身的重量就成為必然的途徑。同時作為有效的節能手段，汽車輕量化技術已經成為新能源電動汽車發展的重要方向之一，這也是新能源汽車發展的基礎技術。

輕量化在電動汽車上的實現是一項極其具有挑戰的機械工程，汽車輕量化是集多學科、多行業于一體的完整的系統，涵蓋設計方法、材料科學、制造工藝等領域[1]，需各部門間密切合作，具有協調統一的整體優化目標。

1 前副車架作用及輕量化

副車架是汽車底盤的重要零部件之一，副車架的作用可以減少車輛的噪聲與振動[2]，同時還可以提高整車的剛度、強度和安全性，對于舒適性起到很重要的作用，所以其性能表現對于汽車而言是非常重要的。副車架輕量化指的是減輕副車架本身的重量，在保證副車架的強度、振動特性與安全性的基礎下，通過采用高強鋼材料、結構拓撲優化、車型規格優化、減薄板料厚度等方式降低副車架質量。

2 前副車架基礎版仿真分析

前副車架由上片、下片、中塔內板、中塔外板、懸置加強板等部分組成，利用多套焊接工藝序完成組裝，因此要求副車架的焊接質量是非常高的。本論文所用的前副車架采用熱軋高強度酸洗鋼HZFB590。

（1）根據44種典型工況下的受力分析提取副車架各硬點位置所受力及力矩大小，對副車架進行靜強度分析，基礎版前副車架各工況最大應力為 505Mpa，滿足小于其材料屈服強度要求。

（2）分析前副車架及帶白車身和轉向器總成兩種狀態的一階Z向彎曲模態，分別為249和159Hz,并與標桿車型對比，其前副車架自由模態優于參標桿車型、其帶白車身和轉向器狀態一階Z向彎曲模態滿足大于130HZ要求。

（3）約束前副車架與車身安裝點，計算前副車架其余硬點剛度，各硬點各向剛度位于 10-400KN/mm之間，基礎版前副車架硬點剛度滿足目標值要求。

（4）基于靜載荷和路譜采集兩種載荷的板材和焊縫疲勞分析，焊縫損傷均不滿足要求，其路譜載荷焊縫損傷6.05、其靜載荷壽命有14個工況不滿足，最大位置在左側加強板前端（中塔側），需對前副車架整體優化和輕量化。

3 前副車架性能優化和輕量化

利用 OptiStruct 的優化功能，對副車架進行靈敏度和尺寸優化分析，得到副車架的最優結構尺寸，具體步驟見下：

（1）根據仿真分析應力云圖和應變云圖，與底盤設計工程師溝通商討，將加強板向中塔側加長 9mm，增加一條與中塔內板的焊道、增加一條與上板焊道、將損傷最大處焊道由梯形焊改為搭接焊；基于路譜載荷的焊縫損傷降為 2.8，損傷降低54%；基于靜載荷的各工況焊縫壽命提高10%，前副車架質量增加0.08kg。

（2）根據前副車架焊縫損傷分析的整體變形云圖（Z向彎曲變形）和應力云圖，與底盤設計工程咨詢確認，前副車架的各板可調整厚度區間為正負0.5mm。利用OptiStruct的靈敏度分析功能，設定上板、下板、中塔內板、中塔外板、加強板、懸置加強板等9個部件的厚度屬性為設計變量，同時定義總質量和Z向彎曲模態兩個響應，定義總質量最小為目標，定義Z向彎曲模態不低于104（優化狀態為包含前副車架、轉向器總成、前副車架與車身側彈簧單元）。通過靈敏度分析獲得零件厚度變化對Z向彎曲變形靈敏度較高的是加強板、較低的是下板和上板（靜強度分析多個工況上板應力較高）。

（3）依據OptiStruct 靈敏度優化結果及靜強度分析結果，利用尺寸優化功能，對左右加強板和下板尺寸優化。設定左側加強板厚度屬性為變量 1，初始厚度 2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm；設定右側加強板厚度屬性為變量2，初始厚度2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm，并將變量1與變量2厚度屬性線性關聯；設定下板厚度屬性為變量3，初始厚度2.2mm、下限1.5mm、上限3.0mm；定義總體積為響應1，定義變量1的應力為響應2；目標函數是體積響應最小化；約束是變量1的應力上限，定義前副車架焊縫壽命最低工況的變量1應力低于295Mpa。通過尺寸優化分析求得加強板厚度3.84mm、下板厚度1.9mm。經元整的加強度厚度屬性4mm、下板厚度屬性2.0mm，前副車架質量減輕0.2kg，減重1.2%，前副車架優化方案見下圖。

圖1 前副車架優化方案

4 前副車架性能驗證

采納以上優化方案，驗證前副車架模態、硬點剛度、靜強度、靜載荷疲勞、路譜疲勞等性能。

（1）各靜載工況下，前副車架最大應力增加到510Mpa,最大應力位置由加強板轉移到下板，最大應力增加1%，優化后靜強度滿足要求。

（2）前副車架狀態Z向彎曲模態為249Hz，提升0.12%；前副車架帶白車身和轉向器總成狀態Z向彎曲模態為159HZ,降低0.06%，優化后結果滿足振動要求。

（3）前副車架各硬點剛度平均降低 1.2%，優化后滿足目標值要求。

（4）基于路譜板材損傷為0.188，升高70%；基于路譜焊縫損傷為0.96，降低84%，優化后前副車架疲勞分析。

5 總結

利用 OptiStruct 的優化功能，對前副車架進行靈敏度和尺寸優化分析，獲得前副車架的最優結構尺寸，優化后的前副車架質量降低1.2%，并驗證優化后的前副車架模態、靜剛度、靜強度、板材損傷滿足要求，且基于靜載荷焊縫壽命提升65%、基于路譜載荷焊縫壽命提高84%。OptiStruct 的優化功能在前副車架輕量化、性能提升上得到很好的應用和幫助。