某純電動汽車后減震器座安裝點剛度分析及優化設計

賀鑫,董華東，朱浩

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

隨著我國經濟近年來的飛速發展，人們在物質生活上得到一定保障的同時，對于車輛的駕駛性能需求也不斷提高，包括駕駛穩定性、安全性及舒適的駕駛感受等[1]。減震器作為車輛組成中不可或缺的部分，通過抑制彈簧吸震后反彈時的震蕩及來自路面的沖擊，從而使車輛能夠在復雜的路況下實現安全及平穩的行駛[2]。而用于安裝減震器及支撐懸架系統的減震器座，其剛度高低直接影響整車平順性、緩沖降噪、駕駛穩定性[3]，甚至影響到懸架系統的動態響應過程[4]。汽車減震器座主要包括前、后減震器座，本文作者主要針對某款純電動汽車在設計過程中后減震器座的Y向剛度不足問題，進行CAE仿真分析及結構優化。

基于設計人員提供的后減震器座實體模型，利用HyperMesh前處理軟件建立其有限元模型，轉換格式后導入Nastran軟件進行剛度分析，最后再根據HyperView軟件考察在產品設計初期是否滿足設計需求[5]，針對CAE分析結果設計5種優化方案，最終確定能有效提高后減震器座安裝點剛度的最佳方案，滿足性能要求，節約產品開發成本，縮短產品開發周期[6]，同時為后減震器座的結構改進和優化設計提供參考。

1 前處理工作

1.1 建立有限元模型

利用HyperMesh17.0仿真軟件建立與設計人員提供的后減震器座模型一致的有限元模型，如圖1所示[7]。

圖1 后減震器座有限元模型

該有限元模型包括后減震器座、輪罩前支撐梁、后地板、后地板橫梁、后地板縱梁等。網格劃分完成后，對模型質量進行檢查，并修補不合格單元[8]。確保模型質量滿足要求后，采用BAR2、acm、RBE2和adhesives等單元連接方式來替代車身的螺栓連接、點焊、縫焊和粘膠等實際連接方式[9]，與其他部位的有限元模型連接后，建立完整的白車身有限元模型，如圖2所示。

1.2 分析工況

根據汽車白車身骨架剛度試驗的實際條件，在HyperMesh17.0仿真軟件中施加邊界條件，即約束與載荷，如圖3所示。

圖3 邊界條件

(1)約束

約束門檻梁整個下端自由度X、Y、Z三個方向的平動自由度(ΔX、ΔY、ΔZ)。

(2)載荷

在后減震器座安裝點位置施加5 000 N的Y向力。

該車型后減震器座總成中，材料主要有雙相鋼HC340/590DP、鋁材6082T6，具體參數見表1。

表1 材料參數

(3)剛度計算公式

后減震器座安裝點剛度為靜剛度，主要考察在靜態載荷下抵抗變形的能力[10]。計算公式如下：

(1)

式中：F、δ分別為作用于結構的廣義力和廣義力產生的廣義位移[11]。

2 仿真計算及優化分析

2.1 Nastran軟件簡介

MSC.Nastran軟件是由MSC.Software公司推出的大型結構有限元分析軟件，主要包括靜力學分析、動力學分析、熱分析等功能[12]。本文作者主要利用Nastran軟件對后減震器座安裝點剛度進行分析。首先在HyperMesh前處理軟件中建立含后減震器座總成的白車身有限元模型，轉換為bdf格式文件，導入Nastran軟件中進行仿真計算，最后將op2格式的結果文件同bdf計算文件一起導入HyperView中進行結果處理。

2.2 仿真計算

利用Nastran仿真軟件進行仿真計算，將最終結果中的op2文件導入HyperView進行后處理分析，得到后減震器座安裝點Y向變形云圖，如圖4所示。

圖4 后減震器座安裝點Y向變形云圖

測得圖4中后減震器座安裝點的相關點Y向位移后，與第1.2節中分析工況中的Y向載荷共同代入公式(1)中，計算得到后減震器座Y向剛度值為2 949.9 N/mm。而根據某公司的相關CAE分析規范，目標值為4 500 N/mm，明顯不滿足要求。

2.3 優化分析

在和設計部門交流討論后，針對后減震器座安裝點Y向剛度不滿足要求情況，提出5種結構優化方案。

方案一：增加零件

基于原始方案，在左右后輪罩中間增加支撐梁及安裝支架，如圖5所示。

圖5 方案一

方案二：增加零件

基于原始方案，在減震器座上方增加斜支撐，后地板橫梁上方增加鋼板安裝件，檢修蓋板支撐梁增加兩個方形支撐(對稱分布)，如圖6所示。

方案三：改變結構

基于方案二，改變如圖7所示的鋼板安裝件結構。

圖6 方案二 圖7 方案三

方案四：結構加強

在方案三基礎上，將后地板縱梁截面加強，如圖8所示。

方案五：結構變更及減重

在方案四基礎上，檢修蓋板支撐梁上的2個方形支撐改為斜支撐，后地板橫梁上方的鋼板安裝件厚度由1.8 mm變為1.5 mm，輪罩前支撐梁厚度由4.0 mm變為2.0 mm，如圖9所示。

圖8 方案四 圖9 方案五

2.4 方案分析結果統計

將5種方案依次利用第2.2節所示的計算方法進行求解，得到5種方案后減震器座安裝點Y向剛度值，與原始方案匯總于表2。

表2 分析結果匯總

由表2可知：

(1)方案三、四、五均滿足要求；

(2)方案三、四雖滿足要求，但相對方案二剛度值提升不大，僅略高于目標值；

(3)方案五相對方案三、四剛度值提升顯著，且明顯高于目標值。

3 結論

(1)利用CAE軟件對后減震器座安裝點進行網格建模、計算分析、結果處理后發現不滿足要求，需要進行結構優化。

(2)根據原始方案的分析結果，提出5種優化方案，均相對原始方案剛度值有所提升，且優化方案五最佳，滿足性能要求。

(3)通過CAE技術對含后減震器座安裝點的白車身有限元模型不斷優化，最終確定最佳方案，為后減震器座結構的改進和優化設計提供重要依據。