周麗杰

（愛(ài)馳汽車(chē)（上海）有限公司，上海 200090）

引言

對(duì)于新能源電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，減輕重量，實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)增加其行駛里程和提高車(chē)身的耐久性和安全性有著非常重要的意義，有目標(biāo)地減輕汽車(chē)自身的重量就成為必然的途徑。同時(shí)作為有效的節(jié)能手段，汽車(chē)輕量化技術(shù)已經(jīng)成為新能源電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要方向之一，這也是新能源汽車(chē)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

輕量化在電動(dòng)汽車(chē)上的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)極其具有挑戰(zhàn)的機(jī)械工程，汽車(chē)輕量化是集多學(xué)科、多行業(yè)于一體的完整的系統(tǒng)，涵蓋設(shè)計(jì)方法、材料科學(xué)、制造工藝等領(lǐng)域[1]，需各部門(mén)間密切合作，具有協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體優(yōu)化目標(biāo)。

1 前副車(chē)架作用及輕量化

副車(chē)架是汽車(chē)底盤(pán)的重要零部件之一，副車(chē)架的作用可以減少車(chē)輛的噪聲與振動(dòng)[2]，同時(shí)還可以提高整車(chē)的剛度、強(qiáng)度和安全性，對(duì)于舒適性起到很重要的作用，所以其性能表現(xiàn)對(duì)于汽車(chē)而言是非常重要的。副車(chē)架輕量化指的是減輕副車(chē)架本身的重量，在保證副車(chē)架的強(qiáng)度、振動(dòng)特性與安全性的基礎(chǔ)下，通過(guò)采用高強(qiáng)鋼材料、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、車(chē)型規(guī)格優(yōu)化、減薄板料厚度等方式降低副車(chē)架質(zhì)量。

2 前副車(chē)架基礎(chǔ)版仿真分析

前副車(chē)架由上片、下片、中塔內(nèi)板、中塔外板、懸置加強(qiáng)板等部分組成，利用多套焊接工藝序完成組裝，因此要求副車(chē)架的焊接質(zhì)量是非常高的。本論文所用的前副車(chē)架采用熱軋高強(qiáng)度酸洗鋼HZFB590。

（1）根據(jù)44種典型工況下的受力分析提取副車(chē)架各硬點(diǎn)位置所受力及力矩大小，對(duì)副車(chē)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，基礎(chǔ)版前副車(chē)架各工況最大應(yīng)力為 505Mpa，滿足小于其材料屈服強(qiáng)度要求。

（2）分析前副車(chē)架及帶白車(chē)身和轉(zhuǎn)向器總成兩種狀態(tài)的一階Z向彎曲模態(tài)，分別為249和159Hz,并與標(biāo)桿車(chē)型對(duì)比，其前副車(chē)架自由模態(tài)優(yōu)于參標(biāo)桿車(chē)型、其帶白車(chē)身和轉(zhuǎn)向器狀態(tài)一階Z向彎曲模態(tài)滿足大于130HZ要求。

（3）約束前副車(chē)架與車(chē)身安裝點(diǎn)，計(jì)算前副車(chē)架其余硬點(diǎn)剛度，各硬點(diǎn)各向剛度位于 10-400KN/mm之間，基礎(chǔ)版前副車(chē)架硬點(diǎn)剛度滿足目標(biāo)值要求。

（4）基于靜載荷和路譜采集兩種載荷的板材和焊縫疲勞分析，焊縫損傷均不滿足要求，其路譜載荷焊縫損傷6.05、其靜載荷壽命有14個(gè)工況不滿足，最大位置在左側(cè)加強(qiáng)板前端（中塔側(cè)），需對(duì)前副車(chē)架整體優(yōu)化和輕量化。

3 前副車(chē)架性能優(yōu)化和輕量化

利用 OptiStruct 的優(yōu)化功能，對(duì)副車(chē)架進(jìn)行靈敏度和尺寸優(yōu)化分析，得到副車(chē)架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，具體步驟見(jiàn)下：

（1）根據(jù)仿真分析應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D，與底盤(pán)設(shè)計(jì)工程師溝通商討，將加強(qiáng)板向中塔側(cè)加長(zhǎng) 9mm，增加一條與中塔內(nèi)板的焊道、增加一條與上板焊道、將損傷最大處焊道由梯形焊改為搭接焊；基于路譜載荷的焊縫損傷降為 2.8，損傷降低54%；基于靜載荷的各工況焊縫壽命提高10%，前副車(chē)架質(zhì)量增加0.08kg。

（2）根據(jù)前副車(chē)架焊縫損傷分析的整體變形云圖（Z向彎曲變形）和應(yīng)力云圖，與底盤(pán)設(shè)計(jì)工程咨詢(xún)確認(rèn)，前副車(chē)架的各板可調(diào)整厚度區(qū)間為正負(fù)0.5mm。利用OptiStruct的靈敏度分析功能，設(shè)定上板、下板、中塔內(nèi)板、中塔外板、加強(qiáng)板、懸置加強(qiáng)板等9個(gè)部件的厚度屬性為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)定義總質(zhì)量和Z向彎曲模態(tài)兩個(gè)響應(yīng)，定義總質(zhì)量最小為目標(biāo)，定義Z向彎曲模態(tài)不低于104（優(yōu)化狀態(tài)為包含前副車(chē)架、轉(zhuǎn)向器總成、前副車(chē)架與車(chē)身側(cè)彈簧單元）。通過(guò)靈敏度分析獲得零件厚度變化對(duì)Z向彎曲變形靈敏度較高的是加強(qiáng)板、較低的是下板和上板（靜強(qiáng)度分析多個(gè)工況上板應(yīng)力較高）。

（3）依據(jù)OptiStruct 靈敏度優(yōu)化結(jié)果及靜強(qiáng)度分析結(jié)果，利用尺寸優(yōu)化功能，對(duì)左右加強(qiáng)板和下板尺寸優(yōu)化。設(shè)定左側(cè)加強(qiáng)板厚度屬性為變量 1，初始厚度 2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm；設(shè)定右側(cè)加強(qiáng)板厚度屬性為變量2，初始厚度2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm，并將變量1與變量2厚度屬性線性關(guān)聯(lián)；設(shè)定下板厚度屬性為變量3，初始厚度2.2mm、下限1.5mm、上限3.0mm；定義總體積為響應(yīng)1，定義變量1的應(yīng)力為響應(yīng)2；目標(biāo)函數(shù)是體積響應(yīng)最小化；約束是變量1的應(yīng)力上限，定義前副車(chē)架焊縫壽命最低工況的變量1應(yīng)力低于295Mpa。通過(guò)尺寸優(yōu)化分析求得加強(qiáng)板厚度3.84mm、下板厚度1.9mm。經(jīng)元整的加強(qiáng)度厚度屬性4mm、下板厚度屬性2.0mm，前副車(chē)架質(zhì)量減輕0.2kg，減重1.2%，前副車(chē)架優(yōu)化方案見(jiàn)下圖。

圖1 前副車(chē)架優(yōu)化方案

4 前副車(chē)架性能驗(yàn)證

采納以上優(yōu)化方案，驗(yàn)證前副車(chē)架模態(tài)、硬點(diǎn)剛度、靜強(qiáng)度、靜載荷疲勞、路譜疲勞等性能。

（1）各靜載工況下，前副車(chē)架最大應(yīng)力增加到510Mpa,最大應(yīng)力位置由加強(qiáng)板轉(zhuǎn)移到下板，最大應(yīng)力增加1%，優(yōu)化后靜強(qiáng)度滿足要求。

（2）前副車(chē)架狀態(tài)Z向彎曲模態(tài)為249Hz，提升0.12%；前副車(chē)架帶白車(chē)身和轉(zhuǎn)向器總成狀態(tài)Z向彎曲模態(tài)為159HZ,降低0.06%，優(yōu)化后結(jié)果滿足振動(dòng)要求。

（3）前副車(chē)架各硬點(diǎn)剛度平均降低 1.2%，優(yōu)化后滿足目標(biāo)值要求。

（4）基于路譜板材損傷為0.188，升高70%；基于路譜焊縫損傷為0.96，降低84%，優(yōu)化后前副車(chē)架疲勞分析。

5 總結(jié)

利用 OptiStruct 的優(yōu)化功能，對(duì)前副車(chē)架進(jìn)行靈敏度和尺寸優(yōu)化分析，獲得前副車(chē)架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化后的前副車(chē)架質(zhì)量降低1.2%，并驗(yàn)證優(yōu)化后的前副車(chē)架模態(tài)、靜剛度、靜強(qiáng)度、板材損傷滿足要求，且基于靜載荷焊縫壽命提升65%、基于路譜載荷焊縫壽命提高84%。OptiStruct 的優(yōu)化功能在前副車(chē)架輕量化、性能提升上得到很好的應(yīng)用和幫助。