張宏，劉艷華，張梟鵬，馬喆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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某SUV副車架結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化設(shè)計

張宏，劉艷華，張梟鵬，馬喆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：文章針對在SUV車底盤開發(fā)設(shè)計過程中副車架模態(tài)偏低、安裝點動剛度不達(dá)標(biāo)、局部應(yīng)力過大、重量較重等問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用成熟的優(yōu)化分析流程，綜合概念階段的拓?fù)涞皆敿?xì)設(shè)計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優(yōu)化的方法研究如何提高副車架的模態(tài)、動剛度等，最終完成副車架模態(tài)的提高、局部應(yīng)力的優(yōu)化、動剛度的提升以及減重的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：副車架；模態(tài)；動剛度；拓?fù)鋬?yōu)化；尺寸優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.025

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)04-73-04

前言

在汽車整車的研發(fā)設(shè)計過程中，不論是可行性分析階段、概念設(shè)計階段還是詳細(xì)設(shè)計階段，有限元仿真分析貫穿始終，對汽車零部件進(jìn)行模態(tài)、剛度、強(qiáng)度以及疲勞的校核，也為零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供改進(jìn)優(yōu)化方案。對于汽車零部件來說，在強(qiáng)度、剛度、模態(tài)和疲勞壽命等方面都要滿足一定的要求以更好的實現(xiàn)其性能要求。副車架是汽車底盤的重中之重，以副車架為例，它有兩個主要作用：一是當(dāng)汽車發(fā)生正向碰撞時，能夠吸收沖擊，分散車身受力，對整車碰撞性能有所貢獻(xiàn)，因此應(yīng)具有一定的強(qiáng)度；二是可以隔絕部分路面和發(fā)動機(jī)的振動反饋，因此需要滿足特定的模態(tài)要求。本論文針對在SUV車底盤開發(fā)設(shè)計過程中副車架模態(tài)偏低、安裝點動剛度不達(dá)標(biāo)、局部應(yīng)力過大、重量較重等的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用成熟的優(yōu)化分析流程，綜合概念階段的拓?fù)涞皆敿?xì)設(shè)計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優(yōu)化的方法研究如何提高副車架的模態(tài)、動剛度等，最終完成副車架模態(tài)的提高、局部應(yīng)力的優(yōu)化、動剛度的提升以及減重的目標(biāo)。

1、建立副車架的有限元模型

首先采用HyperWorks軟件[1]Hypermesh模塊建立副車架有限元模型，采用OptiStruct[2]求解器對分析模型進(jìn)行求解優(yōu)化，如圖1所示，其包括前副車架和左右碰撞梁。模型中材料定義為鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm2。副車架有限元模型的平均單元尺寸為5mm，整體以四邊形網(wǎng)格為主，采用少量三角形網(wǎng)格；焊縫連接采用四邊形網(wǎng)格，點焊采用RBE2單元，整個模型節(jié)點數(shù)共計71262個，單元數(shù)共計71906個。

圖1　副車架有限元模型

基于上述有限元模型：在Hypermesh軟件中可稱出副車架的重量為27.40kg；由仿真結(jié)果云圖中可以看出，該副車架的一階模態(tài)為前端支撐橫梁的彎曲模態(tài)，固有頻率為251Hz，如圖2所示；副車架各連接點的動剛度如圖3所示；副車架各工況應(yīng)力最大值如圖4所示：

圖2　副車架總成的一階固有振型

圖3　副車架各連接點動剛度

圖4　副車架各工況應(yīng)力最大值

2、副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路

本體橫梁連接支架和穩(wěn)定桿安裝支架處應(yīng)力偏高，因此首先改進(jìn)此處結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力；其次運(yùn)用OptiStruct軟件對動剛度、靜剛度、模態(tài)和體積分?jǐn)?shù)為約束，應(yīng)力工況組合柔度最小為目標(biāo)，對副車架本體內(nèi)部空間加強(qiáng)板進(jìn)行重新合理布置，以提高動剛度；再次利用自由尺寸、形貌、尺寸和形狀優(yōu)化對副車架進(jìn)行詳細(xì)的再設(shè)計，完成最終的設(shè)計優(yōu)化；最后完成工程化數(shù)據(jù)，并進(jìn)行最終結(jié)果的驗證。

2.1 副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 副車架局部應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計

應(yīng)力集中是強(qiáng)度分析的難題之一，為解決副車架的應(yīng)力集中，必須提高薄弱部位的剛度以減少其應(yīng)力應(yīng)變。綜合考慮各工況載荷的大小、方向，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)必須在載荷的法向方向上有足夠高的剛度才能有比較好的效果。為確保優(yōu)化后副車架沒有出現(xiàn)新的高應(yīng)力區(qū)域，所以要對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的所有高應(yīng)力位置的應(yīng)力變化進(jìn)行統(tǒng)計，并確定結(jié)構(gòu)失效位置應(yīng)力有一定程度下降，其它非失效部位應(yīng)保證新方案應(yīng)力水平不超過原始設(shè)計的應(yīng)力水平。

根據(jù)副車架的應(yīng)力云圖[3]可知，本體橫梁連接支架和穩(wěn)定桿安裝支架處應(yīng)力偏高，因此首先運(yùn)用局部形狀優(yōu)化方法，減小應(yīng)力集中。副車架前橫梁支架翻邊抬高9mm，控制臂后點安裝支架加寬15mm。同時，降低扭力臂安裝支架右側(cè)邊12mm；此外修改穩(wěn)定桿支架翻邊結(jié)構(gòu)，抹平副車架后安裝點附近的凹坑，以達(dá)到副車架應(yīng)力均布。如圖5、6所示：

圖5　副車架前橫梁局部應(yīng)力優(yōu)化

圖6　穩(wěn)定桿支架及后安裝點應(yīng)力優(yōu)化

2.1.2 副車架整體動剛度優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)副車架動剛度目標(biāo)，改變內(nèi)部加強(qiáng)版的走向和尺寸，提高副車架整體X向、以及控制臂Y向的動剛度，如圖7所示。在副車架前橫梁處起筋以進(jìn)一步提高副車架控制臂Y向的動剛度和副車架一階模態(tài)，加強(qiáng)筋長255mm，寬25mm，高5.5mm，如圖8所示。

圖7　副車架X向、控制臂Y向動剛度優(yōu)化

圖8　控制臂Y向動剛度及副車架就一階模態(tài)優(yōu)化

2.1.3 副車架整體重量優(yōu)化設(shè)計

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化越來越重要，汽車輕量化是指汽車在保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低，且汽車本身造價不被提高的前提下，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量?？梢娖囕p量化實際上是汽車性能提高、重量降低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、價格合理四方面相結(jié)合的一個系統(tǒng)工程。有試驗表明，汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗下降6%~8%，排放量下降4%。因此副車架的輕量化對整車的輕量化有著至關(guān)重要的意義。

圖9　副車架橫縱主筋減重優(yōu)化

圖10　副車架前縱梁輔助支撐減重優(yōu)化

為保證副車架的性能目標(biāo)，同時又盡可能的減輕它的重量，本論文采用了HyperMorph[4]的技術(shù)，對副車架進(jìn)行全局性、預(yù)見性的減重。首先，對副車架新加的縱向筋進(jìn)行53mm大小的開孔，剪裁副車架橫向主筋的無用材料，如圖9所示；其次，在副車架前縱梁輔助支撐開長60mm，寬43mm的方孔，在控制臂附件新加筋上開優(yōu)化定位圓孔，如圖10所示；再次，副車架后安裝點前移40mm，同時加大內(nèi)側(cè)圓弧度，提高整體動剛度的同時減重，如圖11所示；最后更改內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，去掉無用加強(qiáng)筋，如圖12所示。

圖11　副車架后安裝點前移減重優(yōu)化

圖12　副車架去內(nèi)部無用筋減重優(yōu)化

2.1.4 副車架優(yōu)化前后設(shè)計目標(biāo)對比

副車架一節(jié)模態(tài)由原來的252Hz提高到282Hz，效果明顯，如圖13所示。

圖13　優(yōu)化后副車架一階模態(tài)

副車架應(yīng)力集中被消除了，分布更加趨于合理，最大制動力工況變?yōu)楹细窆r，如圖14所示。

副車架控制臂前連接點Y向動剛度滿足目標(biāo)，且各連接點的提高比較顯著，靜剛度也有較為明顯的提高，如圖15、16所示。

基礎(chǔ)模型的副車架本體質(zhì)量為22.86kg，優(yōu)化后模型為22.04kg，減重0.82kg；基礎(chǔ)模型的縱梁質(zhì)量為4.54kg，優(yōu)化后模型為3.18kg，減重1.36kg；基礎(chǔ)模型的整體副車架質(zhì)量為27.40kg，優(yōu)化后模型為25.22kg，整體減重2.18kg，減重效果顯著。

圖14　優(yōu)化后副車架各工況應(yīng)力最大值

圖15　優(yōu)化后副車架各連接點動剛度

3、結(jié)論

本論文針對在SUV車底盤開發(fā)設(shè)計過程中副車架模態(tài)偏低、安裝點動剛度不達(dá)標(biāo)、局部應(yīng)力過大、重量較重等的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運(yùn)用成熟的優(yōu)化分析流程，綜合概念階段的拓?fù)涞皆敿?xì)設(shè)計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優(yōu)化的方法研究如何提高副車架的模態(tài)、動剛度等，最終完成副車架模態(tài)的提高、局部應(yīng)力的優(yōu)化、動剛度的提升以及減重的目標(biāo)[5]。通過副車架優(yōu)化前后各項參數(shù)對比可知：

（1）過結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化，最大程度的改進(jìn)了動剛度性能，使?jié)M足目標(biāo)，三角臂后點Y向動剛度最大提高了160.2%，其余安裝點的動剛度都有50%左右幅度提高。

（2）改進(jìn)動剛度性能的同時，各安裝點的靜剛度也得到了提高，提高百分比從4.9%到87.5%不等。

（3）合實際工程經(jīng)驗和工況變形模式，對高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了改進(jìn)，有效降低了應(yīng)力水平，強(qiáng)度工況滿足目標(biāo)值。

（4）各性能提高的同時，副車架第一階模態(tài)也從251.5HZ提高到278.0HZ。

（5）充分利用OptiStruct的拓?fù)洹⑿蚊?、形狀、尺寸和自由尺寸?yōu)化，使整個副車架質(zhì)量（不包括焊縫）從26.48kg降為24.3kg，減重2.18kg。

（6）經(jīng)過路試部門的強(qiáng)化路試，該副車架沒有出現(xiàn)任何強(qiáng)度和疲勞問題，證明本論文的優(yōu)化流程、思路和方法真實有效。

本文中用到的優(yōu)化方法以及得出的結(jié)論可為今后類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的思路和參考，具有一定的參考價值。

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中圖分類號：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-73-04

作者簡介：張宏，就職于華晨汽車工程研究院。

Optimization design of structure and performance of a SUV subframe

Zhang Hong, Liu Yanhua, Zhang Xiaopeng, Ma Zhe
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Abstract:In this paper, the finite element model of the subframe with low mode, heavy weight and high local stress that the installation point dynamic stiffness is not up to standard isestablished for a SUV. By using of the mature optimization analysis process, the topological optimization of concept stage, the free size, size, shape optimization of design stage, how to improvesignificantlythe modal and dynamic stiffness of the subframeis studied in this article. Finally, the mode and dynamic stiffness of the subframe are increased obviously; the local stress and weight are reduced simultaneously, therefore all can achieve the goal.

Keywords:subframe; mode; Dynamic stiffness; topography optimization; size optimization