周美施，尹懷仙，張鐵柱，張洪信，劉高君

（青島大學機電工程學院，山東青島 266071）

考慮疲勞壽命的負載隔離式電動汽車車架輕量化研究?

周美施，尹懷仙，張鐵柱，張洪信，劉高君

（青島大學機電工程學院，山東青島 266071）

對某改裝負載隔離式電動汽車車架的靜強度、疲勞強度進行驗證并進行輕量化研究。首先利用Solidworks對車架進行參數(shù)化建模，導入ANSYSWorkbench中計算車架受力，利用SN法分析得到車架疲勞壽命，然后以此為約束建立車架優(yōu)化設計模型，對車架各梁結(jié)構(gòu)的壁厚進行優(yōu)化設計，使車架質(zhì)量減輕29.09%。

汽車；電動汽車；負載隔離；疲勞壽命；車架；輕量化

汽車零部件通常因為結(jié)構(gòu)振動而發(fā)生疲勞破壞，提升汽車零部件疲勞強度、可靠性及安全性具有極其重要的意義?，F(xiàn)今汽車零部件疲勞強度的提高主要憑借經(jīng)驗設計，通過靜態(tài)優(yōu)化方法等實現(xiàn)。學者們從不同方面對結(jié)構(gòu)壽命優(yōu)化問題作出了分析研究：HaibaM.等通過多體動力學分析軟件確定疲勞載荷譜，實現(xiàn)車輛懸架系統(tǒng)關(guān)鍵部件的疲勞壽命優(yōu)化；杜中哲利用時域疲勞分析仿真計算某SUV轎車車身結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分布，并利用頻域疲勞壽命分析方法對時域方法的精度進行了論證；薛彩軍等建立基于響應面模型的結(jié)構(gòu)疲勞壽命優(yōu)化方法，對飛機起落架進行了疲勞優(yōu)化設計；吳道俊等提出了基于疲勞壽命的車架支架拓撲優(yōu)化流程；何衛(wèi)鋒等運用優(yōu)化設計分析方法建立了某機翼的數(shù)學模型，其優(yōu)化目標為機翼結(jié)構(gòu)疲勞壽命和結(jié)構(gòu)質(zhì)量；歸曉燁等以某型運輸機前起落架為研究對象，利用MSC工程軟件，建立了基于疲勞壽命的多體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法；賀新峰等以攪拌車副車架為研究對象，提出了將等效靜載荷結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、拓撲優(yōu)化方法與疲勞預測相結(jié)合的疲勞設計方法。目前對汽車零部件的疲勞壽命分析已有一定方法，如E-N法、S-N法和振動疲勞分析法等，但將汽車零部件的疲勞壽命為優(yōu)化目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究還不多，如何考慮疲勞壽命設計合理的材料分布、結(jié)構(gòu)形式及其尺寸，實現(xiàn)車架輕量化、降低成本和提高行駛里程已成為亟待解決的熱點問題。

1　負載隔離式電動汽車結(jié)構(gòu)原理

負載隔離式電動汽車是一種新型純電驅(qū)動汽車，發(fā)動機和發(fā)電機僅作為能量轉(zhuǎn)換裝置，發(fā)動機始終工作在最佳穩(wěn)態(tài)工況點，不受車輛負荷變化的影響。如圖1所示，控制器控制兩組儲能電池組進行合理的充放電切換：儲能電池組1首先放電并提供動力，當其電量達到報警電量時，控制器控制儲能電池組2開始放電，在提供動力的同時，發(fā)電機組開啟給電池組1充電。這樣兩組儲能電池組循環(huán)進行充放電，使電池組避免出現(xiàn)過充、過放和過熱危險，大大增加電池組的使用壽命，同時根據(jù)油箱大小增加汽車的續(xù)駛里程。

圖1　負載隔離式電動汽車的工作原理示意圖

車架自重通過設置材料密度參數(shù)、重力加速度添加，車架各部分總成簡化為集中力添加在車架相應部位。計算所需載荷和加載方式見表1。

表1　車架各載荷及添加方式

2　車架疲勞壽命分析

在車架建模過程中，為方便網(wǎng)格劃分，去除倒角、引線安裝等的小圓孔及對承重不受影響的安裝結(jié)構(gòu)件。同時，由于需進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，對該車建立參數(shù)化模型。建模方法有兩種：一種是先在三維軟件中建立參數(shù)化模型，再導入Workbench中；另一種方法是在Workbench中直接建立模型，并設定參數(shù)。這里選用第一種方法建立模型，針對車輛行駛最惡劣工況，即懸空工況進行強度計算及疲勞壽命分析。

金屬在循環(huán)載荷作用下會發(fā)生疲勞破壞。車架疲勞壽命分析必須以車架有限元分析結(jié)果為依據(jù)。因該文主要研究車架靜態(tài)疲勞特性，需獲得車架的靜力學分析結(jié)果。靜態(tài)分析主要是通過對車架施加靜態(tài)載荷和約束，獲得車架變形、應力分布情況。針對電動汽車懸空工況進行分析，載荷施加見表1。選用第四強度理論校核車架的靜強度，即：

式中：σr為相當應力；σ1、σ2和σ3分別為3個方向的主應力；［σ］為材料的許用應力。

通過有限元計算，得到車架應力和位移（見圖2和圖3）。車架懸空工況下的最大應力值σmax=135 MPa＜［σs］，出現(xiàn)在后懸架吊耳處。車架的安全系數(shù)約為2.6，大于一般經(jīng)驗安全系數(shù)，滿足強度要求，其最大位移δmax=1.69mm，滿足剛度要求。

圖2　車架應力云圖（單位：Pa）

載荷譜在疲勞分析中極為重要，決定疲勞分析結(jié)果的準確度。疲勞分析中的載荷譜分為時間序列載荷譜和時間步載荷譜、恒定幅值載荷譜等，該文對車架進行靜態(tài)疲勞分析，采用時間序列載荷譜。要獲取車架較為準確的疲勞分析結(jié)果，需通過試驗獲取載荷譜，但由于條件有限，通過ADAMS整車虛擬樣機仿真提取動態(tài)力的方式得到車架各荷載的動態(tài)力。經(jīng)過分析，得到該車在30s內(nèi)以50km/h在C級路面行駛時出現(xiàn)峰值力的次數(shù)為9次。將載荷譜采用峰谷值法進行簡化，得到車架時間載荷序列（見圖4）。

圖3　車架位移云圖（單位：m）

圖4　車架時間載荷序列

ANSYSWorkbench中有豐富的材料數(shù)據(jù)庫，從中查取Q345所對應的材料StructuralSteel BS4360Grade50D，獲得應力比為-1，Q345的S-N曲線見圖5。由于獲得的材料為美國標準，加上材料表面粗糙度、應力集中等的影響，需對材料S-N曲線進行修正。采用S-N法，使用Goodman曲線修正，結(jié)合有限元分析結(jié)果進行疲勞分析得到的車架疲勞壽命見圖6。

圖5　Q345的S-N曲線

圖6　車架疲勞壽命云圖（單位：次）

由圖6可見：該車架的疲勞壽命為3246800次，最危險點出現(xiàn)在后懸空車輪縱梁與懸架連接位置。根據(jù)《機動車強制報廢標準規(guī)定》，該車行駛里程參考值為500000km。根據(jù)載荷譜計算得到其車架許用疲勞壽命為1000000次，車架滿足疲勞壽命要求。

3　基于疲勞壽命的車架輕量化

根據(jù)車架靜強度和疲勞壽命計算結(jié)果，該車架強度及疲勞壽命存在較大冗余。而汽車質(zhì)量與油耗直接相關(guān)，汽車質(zhì)量下降10%，油耗降低6%～8%。因此，對該車架進行輕量化設計。

目前，基于疲勞壽命的結(jié)構(gòu)件尺寸優(yōu)化有兩種基本思路：一種是將設計壽命作為約束，在使壽命達到設計要求的前提下，將結(jié)構(gòu)件質(zhì)量最輕設置為目標函數(shù)；另一種是將結(jié)構(gòu)總質(zhì)量作為約束，在滿足結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的要求下，將結(jié)構(gòu)疲勞壽命最大作為目標函數(shù)。這里按照第一種基本思路進行優(yōu)化，在滿足約束的條件下，運用優(yōu)化算法，通過迭代反復計算，求得目標函數(shù)的極值，從而得到最優(yōu)尺寸參數(shù)。尺寸優(yōu)化模型為：

式中：mi為第i個單元的質(zhì)量（kg）；Nmin為車架的許用疲勞壽命（次）；σs為車架的屈服強度（MPa）；δmax為車架結(jié)構(gòu)要求最大位移（mm）；xi為第i根梁的厚度（mm）；ximin、ximax分別為第i根梁的厚度下限和上限（mm）。

車架各部件的設計變量見圖7。

圖7　車架各部件的設計變量

設計變量取定后，還需確定優(yōu)化設計中的性能約束。有限元計算分析中，狀態(tài)變量可以是結(jié)構(gòu)的材料屬性、固有頻率和位移值等，其合理取值范圍對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有重要影響。在此確定優(yōu)化設計數(shù)學模型狀態(tài)變量為：1）強度狀態(tài)變量，要求結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不超過2，結(jié)構(gòu)許用疲勞壽命大于Nmin=1000000次循環(huán)。2）靜剛度狀態(tài)變量，要求車架結(jié)構(gòu)的最大位移量不超過δmax。優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2　結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化前后的厚度

對結(jié)構(gòu)改進后車架進行疲勞壽命分析，在極限工況下其安全系數(shù)為2.3，且有一定余量，最大位移值為2.27mm，疲勞壽命為1.1369×106次。優(yōu)化后車架質(zhì)量由85.6kg減少至60.272kg，降幅達29.09%，實現(xiàn)了輕量化目標。

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U469.72

A

1671-2668（2016）04-0001-03

?國家高技術(shù)研究計劃項目（2014AA052303）；山東省科技發(fā)展計劃項目（2014ZZCX05501；2014GGX103044）；青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計劃項目（14-8-1-2-gx）

2016-02-25