韋俊杰 蒙順金

摘 ?要：為實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出基于有限元分析的前副車架輕量化設(shè)計(jì)方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)、材料和工藝參數(shù)分析方法，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測模型，通過零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫信息融合分析，建立前副車架輕量化的有限元分析模型;分析車身剛度和各零部件厚度，建立前副車架輕量化設(shè)計(jì)路線下的彈性靜力學(xué)有限元平衡分析模型;在車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，提高車身前副車架的側(cè)碰安全性。分析結(jié)果表明，采用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行前副車架輕量化設(shè)計(jì)，降低了車身重量的同時，安全性較好，為車身輕量化設(shè)計(jì)提供新思路。

關(guān)鍵詞：有限元分析;前副車架;車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu);工藝參數(shù)

中圖分類號：U463 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 ?引言

隨著車身結(jié)果的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，研究前副車架輕量化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建前副車架輕量化結(jié)構(gòu)參數(shù)分析模型，通過材料成型技術(shù)和汽車材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立符合車身安全性的前副車架輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)模型，減輕車身重量，提高車身的安全性，在車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板件和支撐起車身結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)中，通過建立汽車制造材料的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析模型，分析前副車架的車輛量化參數(shù)特征[1]，通過車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的理論參數(shù)分析，提高汽車的車身的前副車架安全性，通過建立大梁結(jié)構(gòu)的非承載式車身的有限元分析模型，結(jié)合車輛可靠性參數(shù)分析和設(shè)計(jì)，進(jìn)行前副車架的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，為前副車架的輕量化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為車身的安全檢測和數(shù)據(jù)分析提供理論參數(shù)基礎(chǔ)[2]。

對前副車架輕量化設(shè)計(jì)是建立在汽車車身結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合車身覆蓋件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，進(jìn)行車身優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，并依靠力學(xué)和數(shù)學(xué)理論分析，采用有限元分析的方法，實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化。本文提出基于有限元分析的前副車架輕量化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)、材料和工藝參數(shù)分析方法[3]，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測模型，通過零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫信息融合分析，建立前副車架輕量化的有限元分析模型，通過對車身剛度和各零部件厚度分析，建立前副車架輕量化設(shè)計(jì)路線下的彈性靜力學(xué)有限元平衡分析模型，在車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，采用有限元分析的方法，實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化設(shè)計(jì)[4]，最后進(jìn)行分析測試，展示了本文方法在提高前副車架輕量化設(shè)計(jì)效能方面的優(yōu)越性能。

1前副車架結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

應(yīng)輕量化開發(fā)需求，開展前副車架總成優(yōu)化工作，根據(jù)優(yōu)化前副車架原型數(shù)模和輸入邊界進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能對比分析。這次分析主要圍繞著副車架本體及支架的強(qiáng)度、懸置支架的強(qiáng)度及剛度、模態(tài)進(jìn)行分析。研究的零件分別為副車架本體、懸置支架、方向機(jī)支架、左右擺臂支架，材料牌號分別為WL510、WL510、WL510、QSTE420TM /4.0mm，約束與車身連接的四個固定點(diǎn)位置，分別在下擺臂前后安裝點(diǎn)、穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向機(jī)安裝點(diǎn)施加載荷、懸置位置施加載荷，如圖1。副車架相關(guān)材料參數(shù)見表1。

根據(jù)表2的參數(shù)配置，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數(shù)檢測模型，通過零部件模擬和零部件數(shù)據(jù)庫信息融合分析，根據(jù)斷面基本形狀和裝配關(guān)系，建立前副車架輕量化的有限元分析模型，通過對車身剛度檢測，得到剛度分布的均值和方差為：

（1）

（2）

其中， 表示車型造型結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)，建立車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承載應(yīng)力參數(shù)分析模型，車身側(cè)碰安全性能監(jiān)控的模態(tài)分量為：

（3）

其中， 為不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊強(qiáng)度， 為相位參數(shù)， 為基本靜 動態(tài)幅值，提取碰撞過程的能量參數(shù)，輸出 為一組正整數(shù)，表示能量傳遞次數(shù)，綜上分析，建立驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)械磨損狀態(tài)，在身側(cè)碰安全性能監(jiān)控位置，得到對面域尺度振型狀態(tài)分量N，公式為：

（4）

式中 為正整數(shù)，表示損傷程度， 為不同頻段上的信息屬性， 為前副車架的剛度， 為前副車架輕量化設(shè)計(jì)的材料參數(shù)， 為無損結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)。

2前副車架結(jié)構(gòu)有限元分析設(shè)計(jì)

引入受力狀態(tài)和幾何參數(shù)分析，建立前副車架結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)分析模型，以截面受力狀態(tài)、幾何參數(shù)和材料屈服為基準(zhǔn)變量，得到截面受力狀態(tài)和幾何參數(shù)：

（5）

其中， 為彈性模量調(diào)整參數(shù)， 為初始荷載， 為待定系數(shù)，于截面組合法建立了軸力分析模型，得到前副車架結(jié)構(gòu)有限元分布下的向后制動工況參數(shù)為：

（6）

其中 為正整數(shù)， ， 為強(qiáng)軸向彎矩，建立應(yīng)力誤差分布函數(shù)為 。由此，得到剪力、扭矩和翹曲力矩的作用參數(shù)模型。綜上分析，在車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形吸能控制下，實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，提高車身前副車架的側(cè)碰安全性。

3分析測試

分析中，采用ANLYSIS有限元分析軟件，進(jìn)行前副車架輕量化設(shè)計(jì)及安全性分析，模型參數(shù)設(shè)定如下：單元平均尺寸：8mm×8mm;網(wǎng)格數(shù)量：2.5萬;模型質(zhì)量： 20.1k;焊縫采用seam單元模擬，螺栓采用Rbe2單元模擬;約束條件：螺栓固定位置6自由度完全約束。建立的有限元模型見圖2，測試得到不同結(jié)構(gòu)部件的輕量化檢測系數(shù)見表3。

在此基礎(chǔ)上，得到優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果如圖3所示。

分析圖3得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)前副車架輕量化設(shè)計(jì)，該副車架重量從25.07降到20.1，減重4.97kg，降幅達(dá)19.8%，輕量化效果明顯。

副車架強(qiáng)度分析結(jié)果：副車架優(yōu)化前后對比分析應(yīng)力云圖如圖4所示。

通過副車架本體對比分析應(yīng)力云圖得到，優(yōu)化前后應(yīng)力有所下降、PEEQ降低，副車架本體有限元分析結(jié)果見表4。通過副車架懸置對比分析應(yīng)力云圖，副車架懸置強(qiáng)度有限元分析結(jié)果見表5。

副車架模態(tài)對比分析結(jié)果：副車架優(yōu)化前后對比分析模態(tài)陣型圖如圖5所示.

通過副車架模態(tài)對比分析陣型圖得到，優(yōu)化前副車架模態(tài)有限元分析結(jié)果如表6。

分析表4、表5和表6結(jié)果得知，采用該方法進(jìn)行前副車架輕量化設(shè)計(jì)，降低了重量的同時，提高了性能。

4結(jié)語

建立汽車制造材料的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析模型，分析前副車架的車輛量化參數(shù)特征，通過結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的理論參數(shù)分析，提高汽車的前副車架性能的同時降低了重量。有限元分析結(jié)果表明，本文方法降低了前副車架重量，提高了前副車架性能，輕量化效果明顯，重量降幅19.8%。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：韋俊杰（1972-），男，壯，廣西平果，高級工程師，學(xué)士，從事汽車產(chǎn)品研發(fā)