王 璋 王 磊 聶春紅 胡東方 馬忠民 肖介平

（1-北京汽車集團(tuán)越野車有限公司 北京 101300 2-北京北汽越野車研究院有限公司）

引言

據(jù)有關(guān)研究表明，汽車油耗與整車質(zhì)量非常相關(guān)，因此節(jié)能減排的一項(xiàng)有效措施就是降低汽車質(zhì)量[1]。據(jù)相關(guān)資料介紹，一般情況下，汽車質(zhì)量每減輕1 kg，則1 L 的汽油就可以使汽車多行駛0.011 km，也就是說(shuō)汽車每運(yùn)行10 000 km，就能夠節(jié)省汽油0.7 L[2]。與此同時(shí)，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了大氣中二氧化碳的排放量，汽車質(zhì)量減少50%，CO 的排放量就會(huì)減少13%，同時(shí)也減少了其他有害物質(zhì)的排放，如硫化物、氮化物等，對(duì)提高環(huán)境質(zhì)量也起到了很大作用[3]。

鋁是工業(yè)最常用的輕金屬之一，鋁和鋁合金材料具有比重小，比強(qiáng)度高，優(yōu)良的物理性能、力學(xué)性能、成形性能、工藝性能和易于回收再利用等一系列的優(yōu)良品質(zhì)。目前，汽車有很多部件都使用鋁材，如發(fā)動(dòng)機(jī)本體、變速器殼體、車輪以及部分車身及四門兩蓋等，鋁合金憑借自身的優(yōu)良品質(zhì)使汽車零部件有了較好的減重效果。車架作為非承載式車身結(jié)構(gòu)中的重要部件，其質(zhì)量控制也是整車輕量化的重要工作之一。

車架作為非承載式車身的主要系統(tǒng)部件，除承受車身系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤懸架系統(tǒng)、前后橋等靜載荷外，還要承受汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的各種動(dòng)載荷及各種附加載荷。尤其當(dāng)汽車在惡劣路況行駛或越野時(shí)，這些載荷將被放大。因此，車架在滿足足夠的強(qiáng)度和合適的剛度前提下，質(zhì)量還應(yīng)盡可能小。這就大大增加了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度。

全新開(kāi)發(fā)的輕量化全鋁合金車架，縱梁采用鋁合金內(nèi)高壓成型的創(chuàng)新工藝，復(fù)雜承載部件采用鑄造鋁合金，車架整體進(jìn)行固熔+人工時(shí)效熱處理工藝。屬行業(yè)內(nèi)首次應(yīng)用的大型鋁合金構(gòu)件，具有較高的先進(jìn)性，同時(shí)具有較高的開(kāi)發(fā)難度。

1 車架性能開(kāi)發(fā)

全鋁車架主要包含4 種成型工藝，其中車架縱梁采用內(nèi)高壓成型工藝，部分橫梁及管梁采用擠出成型，支架類采用沖壓成型工藝，車架整體進(jìn)行固溶T4+人工時(shí)效T6 熱處理工藝，如圖1 所示。在充分考慮輕量化設(shè)計(jì)前提下，各項(xiàng)性能滿足目標(biāo)要求。

圖1 車架成型工藝分布圖

1.1 車架性能目標(biāo)

車架性能開(kāi)發(fā)類別如表1 所示。

表1 車架性能開(kāi)發(fā)

1.2 車架性能仿真分析

為使車架各部件滿足性能開(kāi)發(fā)要求，進(jìn)行了多工況多性能仿真分析，如表2 所示。

表2 車架性能分析

1.2.1 剛度性能仿真分析

1）車架彎扭剛度分析

鋁合金的彈性模量約為鋼材的三分之一，為獲得與鋼制車架相當(dāng)?shù)膹澟偠刃阅?，車架縱梁和橫梁的截面及厚度進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，車架彎扭剛度分析結(jié)果如表3 所示?？v梁采用新型的內(nèi)高壓一體化成型工藝，縱梁的截面為連續(xù)變化，并且左右縱梁可以互換通用。多輪優(yōu)化最終使得車架彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度均滿足剛度性能要求，車架質(zhì)量為117 kg，較某既有車型車架減重73 kg，輕量化系數(shù)8.9，明顯優(yōu)于其他參考車型，如圖2 所示。

表3 車架彎扭剛度分析結(jié)果

圖2 各車型輕量化系數(shù)

2）車架安裝點(diǎn)剛度分析

針對(duì)車架34 個(gè)安裝點(diǎn)X，Y，Z 方向共102 個(gè)計(jì)算工況進(jìn)行靜剛度分析，如圖3 所示，并與某既有平臺(tái)車型及其他相關(guān)車型進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋⒔Y(jié)合NVH動(dòng)剛度分析結(jié)果綜合評(píng)判，各安裝點(diǎn)剛度均滿足靜剛度要求。

圖3 安裝點(diǎn)靜剛度分析圖

車架大部分安裝點(diǎn)動(dòng)剛度大于某既有車型相同部位安裝點(diǎn)動(dòng)剛度，主要安裝點(diǎn)動(dòng)剛度均滿足要求。

1.2.2 強(qiáng)度性能仿真分析

對(duì)開(kāi)發(fā)難度較高的強(qiáng)度耐久性能進(jìn)行重點(diǎn)分析。車架為全鋁車架，縱梁按均勻等厚設(shè)置，厚度4.8 mm?？v梁及鈑金件材料Al6011-T6；前螺簧座、下擺臂前后支架、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架材料為Al-A356-T6。在整車強(qiáng)度分析28 個(gè)工況中選取12 個(gè)最極限工況進(jìn)行強(qiáng)度性能設(shè)計(jì)。

針對(duì)傳力路徑上的關(guān)鍵部件，前螺簧座、下擺臂支架、減震器支架等，根據(jù)不同成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)8 輪仿真優(yōu)化合計(jì)96 個(gè)工況項(xiàng)的強(qiáng)度分析及優(yōu)化，滿足強(qiáng)度性能要求，如表4 所示。

表4 車架強(qiáng)度分析結(jié)果 MPa

在車架28 個(gè)工況強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，針對(duì)承載大質(zhì)量部件的支架進(jìn)行更加嚴(yán)苛工況的強(qiáng)度分析。針對(duì)油箱支架和電池包支架進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析及優(yōu)化，均滿足強(qiáng)度要求。為后續(xù)混動(dòng)車型開(kāi)發(fā)做好儲(chǔ)備。

1.2.3 動(dòng)剛度性能仿真分析

1）車架模態(tài)

車架主要模態(tài)頻率遠(yuǎn)高于某既有參考車型1 和某既有參考車型2 車架模態(tài)頻率，從模態(tài)分析角度來(lái)看，滿足設(shè)計(jì)要求，如表5 和圖4 所示。

圖4 全鋁車架模態(tài)振型圖

表5 模態(tài)分析結(jié)果 Hz

1.2.4 工藝支持仿真分析

進(jìn)行內(nèi)高壓成型全鋁合金車架工程化開(kāi)發(fā)為行業(yè)內(nèi)首次，各項(xiàng)工藝均具有較高難度，在車架制造過(guò)程中需重點(diǎn)考慮成型減薄、褶皺、管材選型、焊接、開(kāi)孔等工藝因素，同時(shí)對(duì)車架強(qiáng)度影響大的相關(guān)因素進(jìn)行深度評(píng)估。

針對(duì)車架在制造過(guò)程中的減薄、開(kāi)孔、焊縫變更等工藝問(wèn)題提供技術(shù)支持。進(jìn)行車架相關(guān)工藝支持分析，確保考慮工藝因素影響后的車架強(qiáng)度滿足要求。

1）減薄因素

依據(jù)縱梁內(nèi)高壓成型后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)針對(duì)仿真模型進(jìn)行厚度調(diào)整，將縱梁分割成22 段，重點(diǎn)針對(duì)6～20段進(jìn)行壁厚測(cè)量，每段測(cè)量截?cái)嗝?6 個(gè)點(diǎn)的壁厚，共計(jì)240 塊區(qū)域，如圖5 所示。選取減薄率大于15%的24 個(gè)區(qū)域進(jìn)行厚度變更，如圖6 所示。

圖5 車架成型厚度檢查分段圖

圖6 車架成型厚度檢查分塊圖

將各個(gè)狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)（等厚）進(jìn)行對(duì)比分析，選擇φ142 方案，減薄區(qū)域最少，強(qiáng)度結(jié)果滿足目標(biāo)要求，如圖7、表6 和圖8～10 所示。

圖7 車架仿真分析分塊圖

表6 車架減薄強(qiáng)度分析結(jié)果 MPa

圖8 縱梁（內(nèi)高壓成型）應(yīng)力云圖

圖9 鈑金件（沖壓）應(yīng)力云圖

圖10 螺簧座（鑄造）應(yīng)力云圖

2 車架性能試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)全新開(kāi)發(fā)的內(nèi)高壓成型的全鋁合金車架，為充分驗(yàn)證其剛度、模態(tài)、強(qiáng)度耐久等性能，策劃了系列試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如表7 所示。其中重點(diǎn)對(duì)車架的強(qiáng)度耐久性能進(jìn)行驗(yàn)證。

表7 試驗(yàn)策劃表

2.1 車架試驗(yàn)-車架彎曲剛度

車架彎曲剛度滿足目標(biāo)要求，車架彎曲剛度試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比如圖11 和表8 所示。

圖11 車架彎曲剛度試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比

表8 車架彎曲剛度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

2.2 車架試驗(yàn)-車架扭轉(zhuǎn)剛度

車架扭轉(zhuǎn)剛度滿足目標(biāo)要求，車架扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比如圖12 和表9 所示。

圖12 車架扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比

2.3 車架試驗(yàn)-車架模態(tài)

車架模態(tài)滿足目標(biāo)要求，車架模態(tài)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖13、表10 所示。

表10 車架模態(tài)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖13 車架模態(tài)試驗(yàn)

2.4 車架臺(tái)架耐久試驗(yàn)

為驗(yàn)證車架關(guān)鍵性能-強(qiáng)度耐久性能，采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行車架的臺(tái)架耐久試驗(yàn)。主要驗(yàn)證車架整體、縱梁和橫梁的搭接強(qiáng)度性能。

2.4.1 臺(tái)架試驗(yàn)流程

臺(tái)架試驗(yàn)流程如圖14 所示。

圖14 臺(tái)架試驗(yàn)流程

2.4.2 道路載荷譜采集

為保證道路載荷采集的準(zhǔn)確性，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，如表11 所示。

表11 標(biāo)定零部件

采集通道設(shè)置力、位移、加速度、應(yīng)變和GPS 信號(hào)共計(jì)140 個(gè)通道，如圖15 所示。

圖15 道路載荷采集車輛及信號(hào)

2.4.3 車架臺(tái)架耐久試驗(yàn)

基于道路載荷開(kāi)展車架臺(tái)架耐久試驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證鋁合金車架的縱梁、橫梁及其搭接部位的耐久性能，試驗(yàn)完成檢查縱梁、橫梁、各支架主要構(gòu)件及其焊縫熱影響區(qū)均正常，如圖16 所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證車架疲勞強(qiáng)度性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 車架臺(tái)架耐久試驗(yàn)圖

對(duì)比檢查仿真分析關(guān)注位置均正常，如圖17、18所示。

圖17 仿真與試驗(yàn)對(duì)比1

圖18 仿真與試驗(yàn)對(duì)比2

3 結(jié)論

經(jīng)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，全鋁車架強(qiáng)度耐久、彎扭剛度、模態(tài)性能均滿足要求，減重約76 kg，減重比例39.4%。其中在車架臺(tái)架耐久試驗(yàn)中，滿足民用車耐久性要求的前提下，進(jìn)一步滿足軍車的耐久性要求。

通過(guò)此次鋁合金車架的各項(xiàng)性能開(kāi)發(fā)中，從性能開(kāi)發(fā)工作流程、仿真能力提升、鋁合金車架耐久性開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證等領(lǐng)域積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

由于全鋁車架縱梁及部分橫梁成型工藝特殊性，在仿真分析工作流程中更加關(guān)注工藝問(wèn)題影響與驗(yàn)證分析工作，在鋁合金構(gòu)件的工藝影響方面積累了仿真分析經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)車型中鋁合金構(gòu)件的拓展應(yīng)用提供了技術(shù)支持和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

在此全鋁車架的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分發(fā)揮了CAE仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)CAE 技術(shù)在概念設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，突破了原有的“結(jié)構(gòu)CAD->工程CAE->試驗(yàn)驗(yàn)證”開(kāi)發(fā)路線，打造了“前期CAE->結(jié)構(gòu)CAD->工程CAE->試驗(yàn)驗(yàn)證”的新應(yīng)用途徑。在此過(guò)程中系統(tǒng)應(yīng)用了多學(xué)科協(xié)同（結(jié)構(gòu)耐久+碰撞安全+NVH 仿真），擴(kuò)寬了設(shè)計(jì)空間，有利于正向驅(qū)動(dòng)CAD 設(shè)計(jì)，推動(dòng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。