賀鑫,董華東，朱浩

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟近年來的飛速發(fā)展，人們在物質(zhì)生活上得到一定保障的同時，對于車輛的駕駛性能需求也不斷提高，包括駕駛穩(wěn)定性、安全性及舒適的駕駛感受等[1]。減震器作為車輛組成中不可或缺的部分，通過抑制彈簧吸震后反彈時的震蕩及來自路面的沖擊，從而使車輛能夠在復(fù)雜的路況下實現(xiàn)安全及平穩(wěn)的行駛[2]。而用于安裝減震器及支撐懸架系統(tǒng)的減震器座，其剛度高低直接影響整車平順性、緩沖降噪、駕駛穩(wěn)定性[3]，甚至影響到懸架系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程[4]。汽車減震器座主要包括前、后減震器座，本文作者主要針對某款純電動汽車在設(shè)計過程中后減震器座的Y向剛度不足問題，進行CAE仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

基于設(shè)計人員提供的后減震器座實體模型，利用HyperMesh前處理軟件建立其有限元模型，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入Nastran軟件進行剛度分析，最后再根據(jù)HyperView軟件考察在產(chǎn)品設(shè)計初期是否滿足設(shè)計需求[5]，針對CAE分析結(jié)果設(shè)計5種優(yōu)化方案，最終確定能有效提高后減震器座安裝點剛度的最佳方案，滿足性能要求，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[6]，同時為后減震器座的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 前處理工作

1.1 建立有限元模型

利用HyperMesh17.0仿真軟件建立與設(shè)計人員提供的后減震器座模型一致的有限元模型，如圖1所示[7]。

圖1 后減震器座有限元模型

該有限元模型包括后減震器座、輪罩前支撐梁、后地板、后地板橫梁、后地板縱梁等。網(wǎng)格劃分完成后，對模型質(zhì)量進行檢查，并修補不合格單元[8]。確保模型質(zhì)量滿足要求后，采用BAR2、acm、RBE2和adhesives等單元連接方式來替代車身的螺栓連接、點焊、縫焊和粘膠等實際連接方式[9]，與其他部位的有限元模型連接后，建立完整的白車身有限元模型，如圖2所示。

1.2 分析工況

根據(jù)汽車白車身骨架剛度試驗的實際條件，在HyperMesh17.0仿真軟件中施加邊界條件，即約束與載荷，如圖3所示。

圖3 邊界條件

(1)約束

約束門檻梁整個下端自由度X、Y、Z三個方向的平動自由度(ΔX、ΔY、ΔZ)。

(2)載荷

在后減震器座安裝點位置施加5 000 N的Y向力。

該車型后減震器座總成中，材料主要有雙相鋼HC340/590DP、鋁材6082T6，具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

(3)剛度計算公式

后減震器座安裝點剛度為靜剛度，主要考察在靜態(tài)載荷下抵抗變形的能力[10]。計算公式如下：

(1)

式中：F、δ分別為作用于結(jié)構(gòu)的廣義力和廣義力產(chǎn)生的廣義位移[11]。

2 仿真計算及優(yōu)化分析

2.1 Nastran軟件簡介

MSC.Nastran軟件是由MSC.Software公司推出的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，主要包括靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析、熱分析等功能[12]。本文作者主要利用Nastran軟件對后減震器座安裝點剛度進行分析。首先在HyperMesh前處理軟件中建立含后減震器座總成的白車身有限元模型，轉(zhuǎn)換為bdf格式文件，導(dǎo)入Nastran軟件中進行仿真計算，最后將op2格式的結(jié)果文件同bdf計算文件一起導(dǎo)入HyperView中進行結(jié)果處理。

2.2 仿真計算

利用Nastran仿真軟件進行仿真計算，將最終結(jié)果中的op2文件導(dǎo)入HyperView進行后處理分析，得到后減震器座安裝點Y向變形云圖，如圖4所示。

圖4 后減震器座安裝點Y向變形云圖

測得圖4中后減震器座安裝點的相關(guān)點Y向位移后，與第1.2節(jié)中分析工況中的Y向載荷共同代入公式(1)中，計算得到后減震器座Y向剛度值為2 949.9 N/mm。而根據(jù)某公司的相關(guān)CAE分析規(guī)范，目標(biāo)值為4 500 N/mm，明顯不滿足要求。

2.3 優(yōu)化分析

在和設(shè)計部門交流討論后，針對后減震器座安裝點Y向剛度不滿足要求情況，提出5種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

方案一：增加零件

基于原始方案，在左右后輪罩中間增加支撐梁及安裝支架，如圖5所示。

圖5 方案一

方案二：增加零件

基于原始方案，在減震器座上方增加斜支撐，后地板橫梁上方增加鋼板安裝件，檢修蓋板支撐梁增加兩個方形支撐(對稱分布)，如圖6所示。

方案三：改變結(jié)構(gòu)

基于方案二，改變?nèi)鐖D7所示的鋼板安裝件結(jié)構(gòu)。

圖6 方案二 圖7 方案三

方案四：結(jié)構(gòu)加強

在方案三基礎(chǔ)上，將后地板縱梁截面加強，如圖8所示。

方案五：結(jié)構(gòu)變更及減重

在方案四基礎(chǔ)上，檢修蓋板支撐梁上的2個方形支撐改為斜支撐，后地板橫梁上方的鋼板安裝件厚度由1.8 mm變?yōu)?.5 mm，輪罩前支撐梁厚度由4.0 mm變?yōu)?.0 mm，如圖9所示。

圖8 方案四 圖9 方案五

2.4 方案分析結(jié)果統(tǒng)計

將5種方案依次利用第2.2節(jié)所示的計算方法進行求解，得到5種方案后減震器座安裝點Y向剛度值，與原始方案匯總于表2。

表2 分析結(jié)果匯總

由表2可知：

(1)方案三、四、五均滿足要求；

(2)方案三、四雖滿足要求，但相對方案二剛度值提升不大，僅略高于目標(biāo)值；

(3)方案五相對方案三、四剛度值提升顯著，且明顯高于目標(biāo)值。

3 結(jié)論

(1)利用CAE軟件對后減震器座安裝點進行網(wǎng)格建模、計算分析、結(jié)果處理后發(fā)現(xiàn)不滿足要求，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(2)根據(jù)原始方案的分析結(jié)果，提出5種優(yōu)化方案，均相對原始方案剛度值有所提升，且優(yōu)化方案五最佳，滿足性能要求。

(3)通過CAE技術(shù)對含后減震器座安裝點的白車身有限元模型不斷優(yōu)化，最終確定最佳方案，為后減震器座結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。