某SUV副車架結構及性能的優化設計

張宏，劉艷華，張梟鵬，馬喆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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某SUV副車架結構及性能的優化設計

張宏，劉艷華，張梟鵬，馬喆

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：文章針對在SUV車底盤開發設計過程中副車架模態偏低、安裝點動剛度不達標、局部應力過大、重量較重等問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運用成熟的優化分析流程，綜合概念階段的拓撲到詳細設計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優化的方法研究如何提高副車架的模態、動剛度等，最終完成副車架模態的提高、局部應力的優化、動剛度的提升以及減重的目標。

關鍵詞：副車架；模態；動剛度；拓撲優化；尺寸優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.025

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)04-73-04

前言

在汽車整車的研發設計過程中，不論是可行性分析階段、概念設計階段還是詳細設計階段，有限元仿真分析貫穿始終，對汽車零部件進行模態、剛度、強度以及疲勞的校核，也為零部件結構設計提供改進優化方案。對于汽車零部件來說，在強度、剛度、模態和疲勞壽命等方面都要滿足一定的要求以更好的實現其性能要求。副車架是汽車底盤的重中之重，以副車架為例，它有兩個主要作用：一是當汽車發生正向碰撞時，能夠吸收沖擊，分散車身受力，對整車碰撞性能有所貢獻，因此應具有一定的強度；二是可以隔絕部分路面和發動機的振動反饋，因此需要滿足特定的模態要求。本論文針對在SUV車底盤開發設計過程中副車架模態偏低、安裝點動剛度不達標、局部應力過大、重量較重等的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運用成熟的優化分析流程，綜合概念階段的拓撲到詳細設計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優化的方法研究如何提高副車架的模態、動剛度等，最終完成副車架模態的提高、局部應力的優化、動剛度的提升以及減重的目標。

1、建立副車架的有限元模型

首先采用HyperWorks軟件[1]Hypermesh模塊建立副車架有限元模型，采用OptiStruct[2]求解器對分析模型進行求解優化，如圖1所示，其包括前副車架和左右碰撞梁。模型中材料定義為鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm2。副車架有限元模型的平均單元尺寸為5mm，整體以四邊形網格為主，采用少量三角形網格；焊縫連接采用四邊形網格，點焊采用RBE2單元，整個模型節點數共計71262個，單元數共計71906個。

圖1　副車架有限元模型

基于上述有限元模型：在Hypermesh軟件中可稱出副車架的重量為27.40kg；由仿真結果云圖中可以看出，該副車架的一階模態為前端支撐橫梁的彎曲模態，固有頻率為251Hz，如圖2所示；副車架各連接點的動剛度如圖3所示；副車架各工況應力最大值如圖4所示：

圖2　副車架總成的一階固有振型

圖3　副車架各連接點動剛度

圖4　副車架各工況應力最大值

2、副車架結構優化設計思路

本體橫梁連接支架和穩定桿安裝支架處應力偏高，因此首先改進此處結構，降低應力；其次運用OptiStruct軟件對動剛度、靜剛度、模態和體積分數為約束，應力工況組合柔度最小為目標，對副車架本體內部空間加強板進行重新合理布置，以提高動剛度；再次利用自由尺寸、形貌、尺寸和形狀優化對副車架進行詳細的再設計，完成最終的設計優化；最后完成工程化數據，并進行最終結果的驗證。

2.1 副車架結構優化設計

2.1.1 副車架局部應力優化設計

應力集中是強度分析的難題之一，為解決副車架的應力集中，必須提高薄弱部位的剛度以減少其應力應變。綜合考慮各工況載荷的大小、方向，優化后的結構必須在載荷的法向方向上有足夠高的剛度才能有比較好的效果。為確保優化后副車架沒有出現新的高應力區域，所以要對結構優化前后的所有高應力位置的應力變化進行統計，并確定結構失效位置應力有一定程度下降，其它非失效部位應保證新方案應力水平不超過原始設計的應力水平。

根據副車架的應力云圖[3]可知，本體橫梁連接支架和穩定桿安裝支架處應力偏高，因此首先運用局部形狀優化方法，減小應力集中。副車架前橫梁支架翻邊抬高9mm，控制臂后點安裝支架加寬15mm。同時，降低扭力臂安裝支架右側邊12mm；此外修改穩定桿支架翻邊結構，抹平副車架后安裝點附近的凹坑，以達到副車架應力均布。如圖5、6所示：

圖5　副車架前橫梁局部應力優化

圖6　穩定桿支架及后安裝點應力優化

2.1.2 副車架整體動剛度優化設計

根據副車架動剛度目標，改變內部加強版的走向和尺寸，提高副車架整體X向、以及控制臂Y向的動剛度，如圖7所示。在副車架前橫梁處起筋以進一步提高副車架控制臂Y向的動剛度和副車架一階模態，加強筋長255mm，寬25mm，高5.5mm，如圖8所示。

圖7　副車架X向、控制臂Y向動剛度優化

圖8　控制臂Y向動剛度及副車架就一階模態優化

2.1.3 副車架整體重量優化設計

隨著汽車行業的發展，汽車輕量化越來越重要，汽車輕量化是指汽車在保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低，且汽車本身造價不被提高的前提下，有目標地減輕汽車自身的重量。可見汽車輕量化實際上是汽車性能提高、重量降低、結構優化、價格合理四方面相結合的一個系統工程。有試驗表明，汽車質量每減輕10%，油耗下降6%~8%，排放量下降4%。因此副車架的輕量化對整車的輕量化有著至關重要的意義。

圖9　副車架橫縱主筋減重優化

圖10　副車架前縱梁輔助支撐減重優化

為保證副車架的性能目標，同時又盡可能的減輕它的重量，本論文采用了HyperMorph[4]的技術，對副車架進行全局性、預見性的減重。首先，對副車架新加的縱向筋進行53mm大小的開孔，剪裁副車架橫向主筋的無用材料，如圖9所示；其次，在副車架前縱梁輔助支撐開長60mm，寬43mm的方孔，在控制臂附件新加筋上開優化定位圓孔，如圖10所示；再次，副車架后安裝點前移40mm，同時加大內側圓弧度，提高整體動剛度的同時減重，如圖11所示；最后更改內部加強筋結構，去掉無用加強筋，如圖12所示。

圖11　副車架后安裝點前移減重優化

圖12　副車架去內部無用筋減重優化

2.1.4 副車架優化前后設計目標對比

副車架一節模態由原來的252Hz提高到282Hz，效果明顯，如圖13所示。

圖13　優化后副車架一階模態

副車架應力集中被消除了，分布更加趨于合理，最大制動力工況變為合格工況，如圖14所示。

副車架控制臂前連接點Y向動剛度滿足目標，且各連接點的提高比較顯著，靜剛度也有較為明顯的提高，如圖15、16所示。

基礎模型的副車架本體質量為22.86kg，優化后模型為22.04kg，減重0.82kg；基礎模型的縱梁質量為4.54kg，優化后模型為3.18kg，減重1.36kg；基礎模型的整體副車架質量為27.40kg，優化后模型為25.22kg，整體減重2.18kg，減重效果顯著。

圖14　優化后副車架各工況應力最大值

圖15　優化后副車架各連接點動剛度

3、結論

本論文針對在SUV車底盤開發設計過程中副車架模態偏低、安裝點動剛度不達標、局部應力過大、重量較重等的問題，建立以副車架為主體的有限元模型，運用成熟的優化分析流程，綜合概念階段的拓撲到詳細設計階段的形貌、自由尺寸、尺寸、形狀優化的方法研究如何提高副車架的模態、動剛度等，最終完成副車架模態的提高、局部應力的優化、動剛度的提升以及減重的目標[5]。通過副車架優化前后各項參數對比可知：

（1）過結合拓撲優化，最大程度的改進了動剛度性能，使滿足目標，三角臂后點Y向動剛度最大提高了160.2%，其余安裝點的動剛度都有50%左右幅度提高。

（2）改進動剛度性能的同時，各安裝點的靜剛度也得到了提高，提高百分比從4.9%到87.5%不等。

（3）合實際工程經驗和工況變形模式，對高應力區域進行了改進，有效降低了應力水平，強度工況滿足目標值。

（4）各性能提高的同時，副車架第一階模態也從251.5HZ提高到278.0HZ。

（5）充分利用OptiStruct的拓撲、形貌、形狀、尺寸和自由尺寸優化，使整個副車架質量（不包括焊縫）從26.48kg降為24.3kg，減重2.18kg。

（6）經過路試部門的強化路試，該副車架沒有出現任何強度和疲勞問題，證明本論文的優化流程、思路和方法真實有效。

本文中用到的優化方法以及得出的結論可為今后類似的結構設計提供相應的思路和參考，具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李楚琳. HyperWorks分析應用實例[M].北京：機械工業出版社, 2008.

[2] 張勝蘭. 基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社, 2007.

[3] 張永昌. MSC.Nastran有限元分析理論基礎與應用[M].北京：科學出版社, 2004.

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[4] 朱劍峰,林逸,張濤,寇宏濱,邱榮英.基于虛擬臺架疲勞分析的副車架結構改進設計[J].汽車工程,2014.

中圖分類號：U462.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-73-04

作者簡介：張宏，就職于華晨汽車工程研究院。

Optimization design of structure and performance of a SUV subframe

Zhang Hong, Liu Yanhua, Zhang Xiaopeng, Ma Zhe
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Abstract:In this paper, the finite element model of the subframe with low mode, heavy weight and high local stress that the installation point dynamic stiffness is not up to standard isestablished for a SUV. By using of the mature optimization analysis process, the topological optimization of concept stage, the free size, size, shape optimization of design stage, how to improvesignificantlythe modal and dynamic stiffness of the subframeis studied in this article. Finally, the mode and dynamic stiffness of the subframe are increased obviously; the local stress and weight are reduced simultaneously, therefore all can achieve the goal.

Keywords:subframe; mode; Dynamic stiffness; topography optimization; size optimization