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)
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。
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。
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]。
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。
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,目標值為4 500 N/mm,明顯不滿足要求。
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
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,且明顯高于目標值。
(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)。