康元春

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院，汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室(湖北汽車工業(yè)學(xué)院)，湖北十堰 442002)

0 引言

大量試驗證明車輛質(zhì)量與油耗和排放有直接關(guān)系，降低汽車質(zhì)量可以減少燃油消耗和廢氣排放。轎車副車架是轎車底盤中重要的承載部件，在對其輕量化的同時，需要保證其動、靜態(tài)特性。目前常用的輕量化方法是采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對車架拓撲結(jié)構(gòu)、尺寸厚度等進行優(yōu)化設(shè)計。該方法一定程度上減輕了車架質(zhì)量[1-3]，但隨著進一步輕量化要求，需采用新型復(fù)合材料，目前常用的是碳纖維材料[4]。采用碳纖維材料代替原鋼質(zhì)材料時，不能單純進行材料替換，需考慮碳纖維材料鋪層厚度和鋪層角度等因素。

本文作者首先對轎車原副車架進行了靜力分析及模態(tài)分析，在保證碳纖維車架動、靜態(tài)性能的條件下，對碳纖維材料鋪層角度及各層厚度進行優(yōu)化，并將碳纖維車架與原車架靜力分析結(jié)果進行對比。

1 原副車架靜力分析

將前副車架CAD模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，抽取其中面，采用尺寸為10 mm的殼單元對該副車架進行網(wǎng)格劃分。該副車架采用結(jié)構(gòu)鋼，其材料密度為7.8×10-9t/mm3，泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，屈服強度為345 MPa。副車架有限元模型見圖1。

圖1 副車架有限元模型

該副車架通過控制臂與懸架相連，通過強化板與底盤固定，整車簧載質(zhì)量為1 300 kg。有限元分析時，前副車架承受的載荷以集中載荷方式施加在副車架與底盤連接位置，大小為3 250 N，方向垂直于副車架。車輛靜止時，對副車架與控制臂連接位置進行全約束。急轉(zhuǎn)彎工況時，副車架承受著簧載質(zhì)量和0.3g的橫向加速度，同時約束副車架與控制臂連接位置右側(cè)平動自由度及左側(cè)縱向和垂向平動自由度。緊急制動時，副車架承受簧載質(zhì)量和0.6g縱向加速度，約束副車架與控制臂連接位置的平動自由度。對該副車架進行了靜力分析及模態(tài)分析，結(jié)果見表1。圖2為副車架各工況靜力分析的位移及應(yīng)力圖。

表1 車架有限元分析結(jié)果

2 碳纖維材料優(yōu)化

采用碳纖維材料對原副車架模型進行替換，碳纖維材料的鋪層方式對副車架動、靜態(tài)性能有重要影響。采用的碳纖維材料鋪層方向有0°、90°、45°、-45° 4個方向。按照原鋼質(zhì)材料副車架厚度確定碳纖維材料副車架初始總厚度，且各鋪層方向的可設(shè)計層厚相同。進行碳纖維材料替換后模型的靜力及模態(tài)結(jié)果見表2，此時質(zhì)量為4.263 kg。

表2 碳纖維副車架初始模型靜力及模態(tài)結(jié)果

2.1 自由尺寸優(yōu)化

對碳纖維材料初始模型進行自由尺寸優(yōu)化，來確定最佳的鋪層形狀。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

設(shè)計目標(biāo)：各工況的加權(quán)柔度最小。

約束：體積分數(shù)小于0.3。

設(shè)計變量：4個鋪層方向的厚度。

制造約束：可制造層厚為0.2 mm，并確保+45°方向和-45°方向的厚度分布相等，0°的鋪層百分比不超過25%。

自由尺寸優(yōu)化后的副車架厚度分布如圖3所示。較厚的區(qū)域出現(xiàn)在副車架左右兩側(cè)，其他區(qū)域厚度較薄。自由尺寸優(yōu)化后的碳纖維鋪層建立了16層，層1～4表示0°的鋪層，層5～8表示+45°的鋪層，層9～12表示-45°鋪層，層13～16表示90°鋪層。

圖3 自由尺寸優(yōu)化總厚度分布

2.2 尺寸優(yōu)化

自由尺寸優(yōu)化后所得到的鋪層厚度是一系列不規(guī)律的數(shù)值[6]，為便于加工，需要進行尺寸優(yōu)化來確定各角度的最佳鋪層厚度。該階段尺寸優(yōu)化是建立在前一階段自由尺寸優(yōu)化的基礎(chǔ)之上。優(yōu)化時以各層的厚度為設(shè)計變量，體積最小為設(shè)計目標(biāo)，約束各工況應(yīng)變及前5階模態(tài)頻率不小于自由尺寸優(yōu)化時的優(yōu)化結(jié)果。各角度鋪層的數(shù)量取決于各角度的鋪層厚度與單層厚度，選擇的碳纖維單層厚度為0.1 mm。

經(jīng)過自由尺寸和尺寸優(yōu)化后，碳纖維副車架最大應(yīng)力為急轉(zhuǎn)彎工況時的應(yīng)力，最大值為106 MPa，一階頻率為109 Hz。

2.3 層疊順序優(yōu)化

尺寸優(yōu)化后得到各層最佳厚度，但為使副車架得到最佳性能，還需對層疊順序進行優(yōu)化。優(yōu)化時以各方向?qū)盈B順序為設(shè)計變量，仍以體積最小為設(shè)計目標(biāo)，約束各工況應(yīng)變及前5階模態(tài)頻率。優(yōu)化后最終得到36層鋪層，迭代歷程及結(jié)果見表3，表中最后一列為優(yōu)化后的層疊順序結(jié)果。

表3 層疊順序 (°)

3 結(jié)果比較

將鋼質(zhì)副車架與碳纖維車架的質(zhì)量、應(yīng)力、位移及一階頻率等性能進行比較，見表4?？梢钥闯觯号c原副車架模型相比，新副車架各工況強度均有大幅度降低，剛度雖有提高，但仍滿足設(shè)計要求；新副車架一階頻率為110 Hz，避開了道路激勵和發(fā)動機激勵的頻率；從14.94 kg減輕到1.62 kg，減輕了89.15%，達到設(shè)計要求。

表4 兩種方案優(yōu)化后車架性能比較

4 結(jié)論

在某轎車副車架中，采用碳纖維材料替代原鋼質(zhì)材料，對碳纖維鋪層厚度及層疊順序進行了優(yōu)化設(shè)計，得到碳纖維材料的副車架在強度及剛度滿足設(shè)計要求的前提下，質(zhì)量從14.94 kg減輕到1.62 kg，減輕了89.15%，輕量化效果明顯。