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某车型前副车架轻量化优化分析

2018/12/7    来源:Altair    作者:周丽杰      
关键字:前副车架  焊缝疲劳  轻量化  
某款车型前副车架在设计阶段,进行结构耐久仿真分析时发现前副车架的焊缝疲劳存在开裂风险。利用OptiStruct的优化功能,对副车架进行灵敏度分析和尺寸优化设计,得到副车架的最优结构尺寸。

0 引言

    新能源汽车由于使用电池包作为动力,为了增加其行驶里程和提高车身的耐久性和安全性,有目标地减轻汽车自身的重量就成为必然的途径。同时作为有效的节能手段,汽车轻量化技术已经成为中国新能源汽车工业发展的重要方向之一,这也是新能源汽车发展的基础技术。

    轻量化在电动汽车上的实现是一项极其具有挑战的机械工程,汽车轻量化是集多学科、多行业于一体的完整的系统,涵盖设计方法、材料科学、制造工艺等领域,需各部门间密切合作,具有协调统一的整体优化目标。

1 前副车架作用及轻量化

    乘用车的副车架是汽车底盘的重要零部件,副车架的作用还可以减少车辆的噪声与振动,同时还可以提高整车的刚度、强度和安全性,对于舒适性起到很重要的作用,所以其质量对于汽车而言是非常重要的。副车架轻量化指的是减轻副车架本身的重量,具体来说是指在保证副车架的强度、振动特性与安全性的基础下,通过采用高强钢材料、计算机结构设计、车型规格优化、减薄车身板料厚度等方式降低副车架质量。

2 前副车架基础版仿真分析

    前副车架由上片、下片、中塔内板、中塔外板、悬置加强板等部分组成,利用多套焊接工艺序完成组装,因此要求副车架的焊接质量是非常高的。新设计前副车架采用热轧高强度酸洗钢HZFB590,利用计算机结构设计的CAD数据,通过HyperWorks等仿真分析其基础版性能,仿真分析模型见下图。

新车型前副车架有限元模型

图1 新车型前副车架有限元模型

    (1)为获得热轧高强度酸洗钢HZFB590材料的屈服强度、抗拉强度、拉伸曲线等较高的仿真分析输入参数,对其进行材料拉伸试验。此材料试验共用18个试验样本,试验速率为0.001、1、10、100、200、500等6个等级,样本尺寸宽度为12.5和50mm、厚度为2.6-2.7mm。基于试验速率0.001的3个样件材料试验结果,其工程应力最大平均值602.2Mpa,为仿真分析用抗拉强度,其真实应力外推曲线初始平均值521.5Mpa,为仿真分析用屈服强度值。

    (2)根据44种典型工况下的受力分析提取副车架各硬点位置所受力及力矩大小,对副车架进行静强度分析,基础版前副车架各工况最大应力为505Mpa,满足小于其材料屈服强要求。

    (3)分析前副车架及带白车身和转向器总成两种状态的一阶Z向弯曲模态,分别为249和159HZ,并与标杆车型对比,其前副车架自由模态优于参标杆车型、其带白车身和转向器状态一阶Z向弯曲模态满足大于130HZ要求。

    (4)约束前副车架与车身安装点,计算前副车架其余硬点刚度,各硬点各向刚度位于10-400KN/mm之间,并与标杆车型对比,基础版前副车架硬点刚度略优于标杆车。

    (5)基于静载荷和路谱采集两种载荷的板材和焊缝疲劳分析,焊缝损伤均不满足要求,其路谱载荷焊缝损伤12.1、其静载荷寿命有14个工况不满足,最大位置在左侧加强板前端(中塔侧),需对前副车架整体优化和轻量化。基础版前副车架路谱载荷的板材和焊缝疲劳分析结果见下图。

前副车架路谱载荷的板材和焊缝疲劳

图2 前副车架路谱载荷的板材和焊缝疲劳

3 前副车架性能优化和轻量化

    利用OptiStruct的优化功能,对副车架进行灵敏度和尺寸优化分析,得到副车架的最优结构尺寸,具体步骤见下:

    (1)根据仿真分析应力云图和应变云图,与底盘设计工程师沟通商讨,将加强板向中塔侧加长9mm,增加一条与中塔内板的焊道、增加一条与上板焊道、将损伤最大处焊道由梯形焊改为搭接焊;基于路谱载荷的焊缝损伤降为5.6,损伤降低54%;基于静载荷的各工况焊缝寿命提高10%,前副车架质量增加0.08kg。

    (2)根据前副车架焊缝损伤分析的整体变形云图(Z向弯曲变形)和应力云图,与底盘设计工程咨询确认,前副车架的各板可调整厚度区间为正负0.5mm。利用OptiStruct的灵敏度分析功能,设定上板、下板、中塔内板、中塔外板、加强板、悬置加强板等9个部件的厚度属性为设计变量,同时定义总质量和Z向弯曲模态两个响应,定义总质量最小为目标,定义Z向弯曲模态不低于104(优化模型状态为前副车架+转向器总成+前副车架与车身侧弹簧单元)。通过OptiStruct灵敏度分析获得零件厚度变化对Z向弯曲变形明敏度较高的是加强板、较低的是下板和上板(静强度分析多个工况上板应力较高)。

    (3)依据OptiStruct灵敏度优化结果及静强度分析结果,利用OptiStruct尺寸优化功能,对左右加强板和下板尺寸优化。设定左侧加强板厚度属性为变量1,初始厚度2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm;设定右侧加强板厚度属性为变量2,初始厚度2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm,并将变量1与变量2厚度属性线性关联;设定下板厚度属性为变量3,初始厚度2.2mm、下限1.5mm、上限3.0mm;定义总体积为响应1,定义变量1的应力为响应2;目标函数是体积响应最小化;约束是变量1的应力上限,定义前副车架焊缝寿命最低工况的变量1应力低于270Mpa。通过OptiStruct尺寸优化分析求得加强板厚度4.4mm、下板厚度1.9mm。经元整、与底盘设计工程师讨论可行性、参考标杆车,采纳的加强度厚度属性4mm、下板厚度属性2.0mm,前副车架质量减轻0.2kg,减重1.2%,前副车架优化方案见下图。

前副车架优化方案

图3 前副车架优化方案

4 前副车架性能验证

    采纳以上优化方案,验证前副车架模态、硬点刚度、静强度、静载荷疲劳、路谱疲劳等性能。

    (1)各静载工况下,前副车架最大应力增加到510Mpa,最大应力位置由加强板转移到下板,最大应力增加1%,优化后前副车架静强度满足要求。

    (2)前副车架状态Z向弯曲模态为249Hz,提升0.12%;前副车架带白车身和转向器总成状态Z向弯曲模态为159HZ,降低0.06%,优化后结果满足振动要求。

    (3)前副车架各硬点刚度平均降低1.2%,优化后前副车架各硬点刚度均优于标杆车。

    (4)基于路谱板材损伤为0.375,升高70%;基于路谱焊缝损伤为1.921,降低84%,优化后前副车架疲劳分析结果见下图。

基于路谱载荷板材和焊缝疲劳优化结果

图4 基于路谱载荷板材和焊缝疲劳优化结果

5 总结

    利用OptiStruct的优化功能,对前副车架进行灵敏度和尺寸优化分析,获得前副车架的最优结构尺寸,优化后的前副车架质量降低1.2%,并验证优化后的前副车架模态、静刚度、静强度、板材损伤满足要求,且基于静载荷焊缝寿命提升65%、基于路谱载荷焊缝寿命提高84%。OptiStruct的优化功能在前副车架轻量化、性能提升上得到很好的应用和帮助。

责任编辑:程玥
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