鎂合金后副車架輕量化分析

龔林波，褚超美，顧 放，梅 超

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引 言

后副車架作為底盤系統重要的承載元件，與車身和懸架系統相連，主要作用是提高懸架系統的連接剛度，減少路面震動的傳入，從而增強轎車的舒適性。由于汽車行駛路況的不同，車架在行駛的過程中受力情況復雜，不僅要求車架有足夠的強度和剛度，而且要求其質量越輕越好。在產品設計階段，車架的輕量化研究不僅對減少原材料的浪費、降低生產成本和提高產品競爭力都具有很重要的實際意義，而且對新產品的開發具有重要的指導作用。

現代設計方法不斷提高，運用有限元分析方法實現輕量化設計，使設計過程可預見、可控制。CATIA、Hyperworks利用計算機技術分別考慮了車架承載過程中的各種約束，將安全性和舒適性引入輕量化設計過程中，為后副車架的輕量化研究提供了技術上的借鑒。

1 車架有限元模態分析

1.1 后副車架有限元模型的建立

根據對原后副車架的結構受力情況分析，并依據鎂合金的材料特性，利用三維造型軟件CATIA對原始的結構進行優化，初步建立出三維模型。考慮到一些小部件對車架總質量影響不大，對其進行了一些簡化，最終建立模型如圖1所示，其材料的力學性能如表1所示。

圖1 車架三維模型

表1 后副車架材料的力學性能

使用HyperMesh對三維模型進行網格劃分建立有限元模型，為保證模型的準確性，在此次設計的網格劃分中采用局部人工改善網格和自動劃分相結合的辦法來達到網格質量要求。所分析的有限元模型是用PSHELL單元網格進行劃分的，因此檢查的對象主要是三角形單元和四邊形單元。最終建立的有限元模型如圖2。

1.2 車架模態分析

圖2 車架有限元模型

利用optistruct求解器對后副車架進行自由狀態下的模態分析，在自由狀態下，后副車架第一階整體模態頻率必須要大于200 Hz，提取前6階的自由模態值。實驗模態分析即是通過對系統施加某種激勵，測出相應的響應，根據頻響函數來識別結構的模態參數，試驗模態分析可以用來驗證有限元模型及計算模態分析的準確性。為模擬車架的自由狀態，實驗時將車架用軟橡皮繩懸掛起來，采用力錘激勵。實驗后測得的實驗模態與計算模態值比較如表2所示。

表2 車架計算模態和實驗模態對比

由表2可以看出，計算模態和實驗模態相對誤差值都比較小，說明以上建立的有限元模型比較準確，可以依此模型來進行輕量化分析。

2 車架工況應力變形分析

2.1 載荷條件

所有載荷以均布載荷或者集中載荷的方式加到相應的節點和單元上，其中主要包括車架自身的重量、乘員的重量、發動機的重量、滿載時貨物的重量以及油箱和油的重量等。

2.2 工況及邊界條件

（1）普通載荷工況

在普通載荷工況下，后副車架經受一些普通的載荷，例如車身自重，行駛中的制動力等。

（2）疲勞載荷工況

在疲勞載荷工況中，后副車架往往處于一個循環載荷作用，如轎車加速、倒退、過彎轉向等，此時應注意考慮材料的疲勞強度問題。

（3）特殊工況

在特殊工況下，后副車架會受到較大的沖擊，比如轎車過坑，后輪撞到路臺等狀況。

2.3 分析結果

分別將3種工況的有限元模型提交到Optistruct求解器中進行分析，得到車架在3種工況下應力和變形結果，其中疲勞載荷工況下的應力和變形云圖如圖3、圖4。

圖3 疲勞載荷工況應力云圖

圖4 疲勞載荷工況應變云圖

疲勞載荷工況下車架的受力和變形最為嚴重，最大應力為204.9 MPa，發生在右上主管靠近與發動機上支承聯接管處，最大位移2.67 mm發生在車架左貨架尾部，其余工況下最大應力分別為167.3 MPa、187.6 MPa，最大變形分別為1.62 mm和1.83 mm。鎂合金后副車架滿足強度要求，同時有一定的富余量，可以進一步進行結構的輕量化設計。

3 后副車架結構優化方案

鑒于此鎂合金后副車架為小批量生產，由于后連接上下沖壓件的后橫臂距離較長，為減小沖壓件尺寸，降低沖壓模具成本，將后連接焊接總成分為3段式，通過焊接連接。在保證強度的前提下為了達到輕量化的目的，新設計鎂合金后副車架在原有結構基礎上，中間擺臂箱體處尺寸保持不變，長橫臂截面尺寸變小，其他結構的壁厚都進行了適當的減小，具體尺寸如圖5。

圖5 改進后的鎂合金副車架結構

4 優化結構驗證

設計強度要求鎂合金后副車架應力小于屈服應力400 MPa，疲勞載荷工況疲勞強度小于264 MPa（2×105周次），分析時同樣以最大位移小于3 mm為約束。優化前后疲勞工況云圖結果如圖6、圖7，強度變形對比結果如表3。

圖6 疲勞工況應力云圖

圖7 疲勞工況應變云圖

表3 優化前后最大應力應變對比

由表3可以看出，優化后3種工況下車架的強度和剛度都有所下降，但最大應力值均小于材料的屈服極限，同時應力分布情況同優化前相同，變形量也在允許范圍之內，優化后車架的安全系數為1.56，可見優化后車架強度滿足其設計要求。

5 結 論

通過對鎂合金后副車架結構進行有限元靜力學分析和模態分析，在保證強度和剛度的基礎上，對車架結構進行參數化優化設計，優化效果比較明顯，優化后車架質量減輕了25.7%。根據優化后車架強度分析結果驗證了優化的可行性。

隨著汽車輕量化技術日益受到重視，對新型材料的運用、液壓成型等制造工藝的工程化、新型輕量化結構等方面的探討，將成為汽車行業研究人員關注的熱點。而本文給出的輕量化分析實例，為鎂合金后副車架的輕量化設計提供了一種新思路，也為其他鎂合金材料的轎車零部件設計提供了借鑒。

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