某型純電動(dòng)汽車前縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

楊振波

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

隨著環(huán)境壓力的日益凸顯，人工智能和自動(dòng)駕駛的助推，新能源汽車得到長足發(fā)展。純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，已被公認(rèn)為21世紀(jì)汽車工業(yè)改革和發(fā)展的主要方向。其動(dòng)力總成由電機(jī)替換內(nèi)燃機(jī)后，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）問題依然很突出，因此，合理設(shè)計(jì)動(dòng)力與車身連接的懸置系統(tǒng)可以明顯降低振動(dòng)和噪聲，改善乘坐舒適性。但是，工程師在設(shè)計(jì)過程中往往強(qiáng)調(diào)懸置隔震性能，而忽略本體及車身連接點(diǎn)強(qiáng)度。

針對某型純電動(dòng)汽車懸置二級(jí)隔震在耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的批次前縱梁懸置安裝點(diǎn)開裂失效問題，進(jìn)行了分析和優(yōu)化；樣件制造后，設(shè)計(jì)并實(shí)施了臺(tái)架耐久對比試驗(yàn)，進(jìn)行快速方案驗(yàn)證，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1 問題描述

在整車綜合耐久試驗(yàn)進(jìn)行到30%～50%時(shí)，硬模階段試驗(yàn)車在左、右前縱梁與懸置安裝點(diǎn)小襯套內(nèi)芯接觸區(qū)域附近出現(xiàn)縱向裂紋，如圖1所示，發(fā)生開裂處車身結(jié)構(gòu)如圖2所示。該處僅懸置小襯套內(nèi)芯套筒與縱梁接觸，套筒通過螺栓固定。為此需要采用鉚接方式固定襯板，在襯板上布置壓鉚螺母。

2 失效分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

為了解決電機(jī)噪聲問題，在懸置與前縱梁安裝螺栓位置增加二級(jí)隔震小襯套。因增加二級(jí)隔震小襯套，懸置本體與縱梁上表面分離，僅小襯套鋼制內(nèi)芯在螺栓孔附近接觸，且環(huán)狀區(qū)域?qū)挾葍H3 mm。

此區(qū)域受到螺栓預(yù)緊力和外力雙重作用，極易發(fā)生應(yīng)力集中，存在開裂失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 仿真分析

1.工況確定及載荷分解

針對懸置的強(qiáng)度分析，從常用標(biāo)準(zhǔn)工況中選取幾個(gè)典型工況進(jìn)行分析。上述包括自重、前進(jìn)最大扭矩、倒檔最大扭矩、8 km/h前/后碰撞工況、垂直向上/下極限載荷（5，為重力加速度）等，以及若干復(fù)合工況。在ADAMS中建立此動(dòng)力總成的剛度動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示，進(jìn)行載荷分解，獲得襯套中心點(diǎn)處三個(gè)方向力如表1、表2所示。本次分析重點(diǎn)考察左側(cè)縱梁，分解獲得相應(yīng)載荷，對比提取每個(gè)受力方向最大值，計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。

2.材料屬性及分析模型

各部件材料牌號(hào)及強(qiáng)度性能如表3所示，同時(shí)結(jié)果中可能會(huì)出現(xiàn)超過材料屈服的情況，為此在計(jì)算軟件ABAQUS中輸入真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

采用solid單元，建立包含左側(cè)懸置、左前縱梁、螺栓、壓鉚螺母和小襯套內(nèi)芯在內(nèi)的有限元模型，如圖4所示。上述部件按照實(shí)際接觸面和緊固方式定義連接關(guān)系，并引入螺栓預(yù)緊力。因重點(diǎn)關(guān)注縱梁懸置安裝點(diǎn)應(yīng)力（或應(yīng)變），根據(jù)圣維南原理，截取懸置前、后一定距離縱梁，對其截面進(jìn)行全約束。

3.仿真結(jié)果

由圖5可知，既定工況下，縱梁上表面已發(fā)生2.9%的塑性變形，且應(yīng)變區(qū)域與實(shí)際開裂位置吻合。

2.3 載荷偽損失對比

由表1可知，向外載荷是引起結(jié)構(gòu)失效的主要因素。為了進(jìn)一步證明，在試驗(yàn)車上搭載三分力傳感器，如圖6所示，采集懸置三向力歷程，并進(jìn)行分析。

綜合耐久試驗(yàn)場包括比利時(shí)路、鵝卵石路、短波路、高環(huán)變速工況等30多種路面。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行偽損傷分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)高速全油門加速工況載荷偽損傷最大。進(jìn)一步分析工況，向損傷高出其他方向1個(gè)數(shù)量級(jí)如表4、圖8—圖10所示，說明縱梁耐久裂紋開裂主要由此方向力引起。

2.4 小結(jié)

為解決電機(jī)NVH問題，增加二級(jí)小襯套隔震后，局部接觸面積發(fā)生變化，造成應(yīng)力集中。在綜合耐久試驗(yàn)中，在向（主因）和向載荷下，縱梁懸置安裝點(diǎn)表面出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 優(yōu)化方案及分析

由前文分析，擬通過增加墊片的方法，增大接觸面積，但無法達(dá)到之前軟模車狀態(tài)。為此，嘗試局部優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，解決現(xiàn)有問題。

3.1 優(yōu)化方案制定

1.拓?fù)鋬?yōu)化

為了在較短時(shí)間內(nèi)尋找一種快速有效的具體優(yōu)化方案，根據(jù)模型特點(diǎn)，同時(shí)考慮盡量在原結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修改的可能性，對零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢在必行。基于單元密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實(shí)踐中得到應(yīng)用，該方法將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個(gè)單元的“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量，與材料彈性模量之間具有某種函數(shù)關(guān)系，在0～1間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度接近1則表示該處材料很重要，則需保留；若單元密度為0（或接近0），表明該處的材料不重要，可以去除，從而達(dá)到材料高利用率，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。該優(yōu)化問題可歸結(jié)如下：

（1）目標(biāo)最小化()；

（2）約束()-≤0；

（3）設(shè)計(jì)變量α<α<α。

目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，設(shè)計(jì)變量的向量要根據(jù)優(yōu)化的類型進(jìn)行選擇。

根據(jù)上述要求，建立前縱梁懸置安裝點(diǎn)局部拓?fù)鋬?yōu)化模型，對其定義如下：

（1）響應(yīng)：考慮最小更改原則，縱梁截面不變，僅對螺母板進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定響應(yīng)體積區(qū)域如圖11所示；

（2）設(shè)計(jì)目標(biāo)：總體積響應(yīng)最小；

（3）約束：重量不超過60%；

（4）單元類型為一階四面體單元，可供優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 150，單元數(shù)位為12 334。螺栓與優(yōu)化區(qū)域之間，優(yōu)化區(qū)域與縱梁之間使用剛性單元（RBE2）連接，以模擬懸置及縱梁安裝的真實(shí)位置；在優(yōu)化中一級(jí)襯套中心點(diǎn)，僅施加向單位載荷，其他方向力被忽略。經(jīng)過多次計(jì)算迭代，最后計(jì)算結(jié)果如圖11所示，在優(yōu)化區(qū)域與縱梁貼合面及螺栓端面對應(yīng)面區(qū)域，單元密度值較大，材料利用率較高。

2.優(yōu)化方案

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，并考慮工藝、成本、制造和輕量化等，最終確定采用圖12鋁擠壓件（材料為AL6082）代替原來螺母板，不但提高接觸面積，而且將力分散至縱梁側(cè)面，提高了材料利用率和局部安裝點(diǎn)強(qiáng)度。實(shí)際裝配中擠壓件上設(shè)計(jì)攻絲孔和懸置連接，通過與縱梁上面、側(cè)面和下面鉚接，實(shí)現(xiàn)本身的固定，也有利于裝配制造。

3.仿真驗(yàn)證

按照2.2節(jié)約束和邊界條件，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過圖13可知，前縱梁應(yīng)力降低明顯，已小于材料屈服極限，滿足強(qiáng)度性能要求；鋁擠壓件雖然受力較大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到261.6 MPa（圖14），但依然小于AL6082材料屈服極限286 MPa。綜上，優(yōu)化方案滿足既定工況的強(qiáng)度性能要求。

4 臺(tái)架試驗(yàn)策劃及實(shí)施

上節(jié)中涉及的優(yōu)化方案已滿足強(qiáng)度要求，擬通過子系統(tǒng)臺(tái)架耐久對比試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的耐久性能，保證整車路試一次通過，進(jìn)而縮短開發(fā)周期。因原結(jié)構(gòu)路試壽命已知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)壽命到達(dá)或超過5倍，即可認(rèn)為滿足路試要求。

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)策劃

由表4偽損傷計(jì)算結(jié)果可知，向載荷對結(jié)構(gòu)損傷壽命貢獻(xiàn)最大，其他方向的損傷少一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而結(jié)構(gòu)的臺(tái)架試驗(yàn)可將三向載荷輸入簡化為單向載荷，可簡化試驗(yàn)，節(jié)約時(shí)間成本，但又可達(dá)到壽命對比的目的。實(shí)施方案如圖15所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

共對5個(gè)試驗(yàn)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)為原始狀態(tài)的耐久試驗(yàn)，4號(hào)、5號(hào)為新狀態(tài)加墊片的耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

試驗(yàn)過程中，首先嘗試階次增加載荷，獲得原始狀態(tài)縱梁懸置安裝點(diǎn)出現(xiàn)裂紋時(shí)的壽命，連續(xù)做三件次。試驗(yàn)后零件狀態(tài)如圖16所示，裂紋出現(xiàn)位置與擴(kuò)展方向與路試失效狀態(tài)一致，說明該臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)較合理。優(yōu)化狀態(tài)試驗(yàn)在載荷較大的情況下，總次數(shù)超過原始狀態(tài)5倍以上未出現(xiàn)可見裂紋，如圖17所示，說明部件滿足耐久性能要求。后期已將優(yōu)化方案搭載于整車耐久路試中，規(guī)定循環(huán)次數(shù)完成后拆解，未出現(xiàn)失效，上述問題得到解決。

5 總結(jié)

本文介紹了某型純電動(dòng)汽車前縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過程，設(shè)計(jì)了一種代替原螺母板的鋁擠壓件結(jié)構(gòu)。通過設(shè)變前后對比、采集載荷數(shù)據(jù)偽損傷分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真等工作，找到懸置安裝點(diǎn)失效原因；開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，并開展臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)行壽命對比，快速驗(yàn)證了方案有效性。最終，解決了工程問題，減少了試驗(yàn)場路試次數(shù)，縮短整車開發(fā)周期并降低了成本。