基于有限元分析的前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

韋俊杰 蒙順金

摘 ?要：為實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出基于有限元分析的前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)、材料和工藝參數(shù)分析方法，建立前副車(chē)架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測(cè)模型，通過(guò)零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫(kù)信息融合分析，建立前副車(chē)架輕量化的有限元分析模型;分析車(chē)身剛度和各零部件厚度，建立前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)路線下的彈性靜力學(xué)有限元平衡分析模型;在車(chē)輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化控制和動(dòng)態(tài)有限元分析，提高車(chē)身前副車(chē)架的側(cè)碰安全性。分析結(jié)果表明，采用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)，降低了車(chē)身重量的同時(shí)，安全性較好，為車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)提供新思路。

關(guān)鍵詞：有限元分析;前副車(chē)架;車(chē)輛側(cè)圍結(jié)構(gòu);工藝參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 ?引言

隨著車(chē)身結(jié)果的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，研究前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建前副車(chē)架輕量化結(jié)構(gòu)參數(shù)分析模型，通過(guò)材料成型技術(shù)和汽車(chē)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立符合車(chē)身安全性的前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)模型，減輕車(chē)身重量，提高車(chē)身的安全性，在車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板件和支撐起車(chē)身結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)中，通過(guò)建立汽車(chē)制造材料的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析模型，分析前副車(chē)架的車(chē)輛量化參數(shù)特征[1]，通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的理論參數(shù)分析，提高汽車(chē)的車(chē)身的前副車(chē)架安全性，通過(guò)建立大梁結(jié)構(gòu)的非承載式車(chē)身的有限元分析模型，結(jié)合車(chē)輛可靠性參數(shù)分析和設(shè)計(jì)，進(jìn)行前副車(chē)架的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，為前副車(chē)架的輕量化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為車(chē)身的安全檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析提供理論參數(shù)基礎(chǔ)[2]。

對(duì)前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)是建立在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合車(chē)身覆蓋件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，進(jìn)行車(chē)身優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，并依靠力學(xué)和數(shù)學(xué)理論分析，采用有限元分析的方法，實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化。本文提出基于有限元分析的前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)、材料和工藝參數(shù)分析方法[3]，建立前副車(chē)架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測(cè)模型，通過(guò)零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫(kù)信息融合分析，建立前副車(chē)架輕量化的有限元分析模型，通過(guò)對(duì)車(chē)身剛度和各零部件厚度分析，建立前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)路線下的彈性靜力學(xué)有限元平衡分析模型，在車(chē)輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化控制和動(dòng)態(tài)有限元分析，采用有限元分析的方法，實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)[4]，最后進(jìn)行分析測(cè)試，展示了本文方法在提高前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)效能方面的優(yōu)越性能。

1前副車(chē)架結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

應(yīng)輕量化開(kāi)發(fā)需求，開(kāi)展前副車(chē)架總成優(yōu)化工作，根據(jù)優(yōu)化前副車(chē)架原型數(shù)模和輸入邊界進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能對(duì)比分析。這次分析主要圍繞著副車(chē)架本體及支架的強(qiáng)度、懸置支架的強(qiáng)度及剛度、模態(tài)進(jìn)行分析。研究的零件分別為副車(chē)架本體、懸置支架、方向機(jī)支架、左右擺臂支架，材料牌號(hào)分別為WL510、WL510、WL510、QSTE420TM /4.0mm，約束與車(chē)身連接的四個(gè)固定點(diǎn)位置，分別在下擺臂前后安裝點(diǎn)、穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向機(jī)安裝點(diǎn)施加載荷、懸置位置施加載荷，如圖1。副車(chē)架相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)表2的參數(shù)配置，建立前副車(chē)架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測(cè)模型，通過(guò)零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫(kù)信息融合分析，根據(jù)斷面基本形狀和裝配關(guān)系，建立前副車(chē)架輕量化的有限元分析模型，通過(guò)對(duì)車(chē)身剛度檢測(cè)，得到剛度分布的均值和方差為：

（1）

（2）

其中， 表示車(chē)型造型結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)，建立車(chē)身側(cè)圍結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承載應(yīng)力參數(shù)分析模型，車(chē)身側(cè)碰安全性能監(jiān)控的模態(tài)分量為：

（3）

其中， 為不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊強(qiáng)度， 為相位參數(shù)， 為基本靜 動(dòng)態(tài)幅值，提取碰撞過(guò)程的能量參數(shù)，輸出 為一組正整數(shù)，表示能量傳遞次數(shù)，綜上分析，建立驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械磨損狀態(tài)，在身側(cè)碰安全性能監(jiān)控位置，得到對(duì)面域尺度振型狀態(tài)分量N，公式為：

（4）

式中 為正整數(shù)，表示損傷程度， 為不同頻段上的信息屬性， 為前副車(chē)架的剛度， 為前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)的材料參數(shù)， 為無(wú)損結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)。

2前副車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元分析設(shè)計(jì)

引入受力狀態(tài)和幾何參數(shù)分析，建立前副車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)分析模型，以截面受力狀態(tài)、幾何參數(shù)和材料屈服為基準(zhǔn)變量，得到截面受力狀態(tài)和幾何參數(shù)：

（5）

其中， 為彈性模量調(diào)整參數(shù)， 為初始荷載， 為待定系數(shù)，于截面組合法建立了軸力分析模型，得到前副車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元分布下的向后制動(dòng)工況參數(shù)為：

（6）

其中 為正整數(shù)， ， 為強(qiáng)軸向彎矩，建立應(yīng)力誤差分布函數(shù)為 。由此，得到剪力、扭矩和翹曲力矩的作用參數(shù)模型。綜上分析，在車(chē)輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化控制和動(dòng)態(tài)有限元分析，提高車(chē)身前副車(chē)架的側(cè)碰安全性。

3分析測(cè)試

分析中，采用ANLYSIS有限元分析軟件，進(jìn)行前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)及安全性分析，模型參數(shù)設(shè)定如下：?jiǎn)卧骄叽纾?mm×8mm;網(wǎng)格數(shù)量：2.5萬(wàn);模型質(zhì)量： 20.1k;焊縫采用seam單元模擬，螺栓采用Rbe2單元模擬;約束條件：螺栓固定位置6自由度完全約束。建立的有限元模型見(jiàn)圖2，測(cè)試得到不同結(jié)構(gòu)部件的輕量化檢測(cè)系數(shù)見(jiàn)表3。

在此基礎(chǔ)上，得到優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果如圖3所示。

分析圖3得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)，該副車(chē)架重量從25.07降到20.1，減重4.97kg，降幅達(dá)19.8%，輕量化效果明顯。

副車(chē)架強(qiáng)度分析結(jié)果：副車(chē)架優(yōu)化前后對(duì)比分析應(yīng)力云圖如圖4所示。

通過(guò)副車(chē)架本體對(duì)比分析應(yīng)力云圖得到，優(yōu)化前后應(yīng)力有所下降、PEEQ降低，副車(chē)架本體有限元分析結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)副車(chē)架懸置對(duì)比分析應(yīng)力云圖，副車(chē)架懸置強(qiáng)度有限元分析結(jié)果見(jiàn)表5。

副車(chē)架模態(tài)對(duì)比分析結(jié)果：副車(chē)架優(yōu)化前后對(duì)比分析模態(tài)陣型圖如圖5所示.

通過(guò)副車(chē)架模態(tài)對(duì)比分析陣型圖得到，優(yōu)化前副車(chē)架模態(tài)有限元分析結(jié)果如表6。

分析表4、表5和表6結(jié)果得知，采用該方法進(jìn)行前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)，降低了重量的同時(shí)，提高了性能。

4結(jié)語(yǔ)

建立汽車(chē)制造材料的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析模型，分析前副車(chē)架的車(chē)輛量化參數(shù)特征，通過(guò)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的理論參數(shù)分析，提高汽車(chē)的前副車(chē)架性能的同時(shí)降低了重量。有限元分析結(jié)果表明，本文方法降低了前副車(chē)架重量，提高了前副車(chē)架性能，輕量化效果明顯，重量降幅19.8%。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：韋俊杰（1972-），男，壯，廣西平果，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事汽車(chē)產(chǎn)品研發(fā)