轎車副車架強(qiáng)度可靠性分析及優(yōu)化

袁德文 陳雙喜

摘 要： 轎車副車架強(qiáng)度可靠性影響著汽車使用安全，因此本文主要針對(duì)轎車副車架的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，分析其可靠性，針對(duì)分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： 轎車副車架；強(qiáng)度；可靠性；優(yōu)化

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，現(xiàn)階段的我們不同于以往，生活條件越來越好，在代步工具的選擇上，人們不僅僅局限于其代步功能，對(duì)其他方面的需求也在激增。現(xiàn)階段傳統(tǒng)意義上的懸架系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了人們的需求，由于傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)是將構(gòu)建好的架子直接連在車上，這會(huì)存在車中振動(dòng)明顯以及噪音大的缺陷，進(jìn)而使得車子的整體性能降低不利于用戶良好的體驗(yàn)，基于此問題，人們對(duì)此進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，通過在二者之間加入副車架減輕振動(dòng)及噪聲，進(jìn)而提高汽車使用的舒適程度。以往副車架通常配置在D級(jí)豪華車中，發(fā)展到現(xiàn)階段為止A級(jí)私家車中也常會(huì)配置該裝備。社會(huì)的高速發(fā)展使得大部分的家庭都會(huì)配備私家車，對(duì)于汽車而言安全永遠(yuǎn)位于第一位。所以在設(shè)計(jì)汽車的時(shí)候必須從安全第一的角度出發(fā)對(duì)汽車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高汽車的其他性能。副車架是其中必不可少的設(shè)備，因此副車架的安全性設(shè)計(jì)也是非常重要的。

1.副車架分類及功能

1.1副車架分類

從多種角度上而言，副車架有很多種分類方法，現(xiàn)階段主要有以下兩種方式：

1）依據(jù)懸架與車架的連接方式的不同分為：

全承載式副車架：全承載顧名思義懸架上的所有部分都和副車架相連接，進(jìn)而再與車體相連。這種方式通過在副車架與懸架中間使用橡膠制品減少在實(shí)際使用中的振動(dòng)進(jìn)而起到減震的作用，從而使得車子的舒適程度有所提升，提高車子的性能。

半承載式副車架：半承載式也就是懸架與副車架接近一半的部位是直接相連的，其余部位通過懸架中有緩沖作用的部件進(jìn)行連接，這種連接方式能夠在保證車身的穩(wěn)定性的同時(shí)減輕振動(dòng)，提高車子的整體性能。

2）按構(gòu)成副車架材料不同分為：

鋼制材料：硬度高，價(jià)格適中。

鋁制材料：重量小、柔韌性好、具有耐腐蝕性。

碳纖維材料：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕

新型復(fù)合材料：加工工藝步驟少、質(zhì)量輕、耐腐蝕

1.2副車架功能

副車架中的底盤是其重要組成部分之一，針對(duì)底盤的性能，我們通常會(huì)考慮其舒適程度以及底盤操作性。但是這兩種性能是此消彼長(zhǎng)的，并不能保證其二者都處于較高的水平，因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)將二者控制在恰當(dāng)?shù)乃剑M(jìn)而保證底盤的舒適度以及操作性，從而減弱噪聲提高緩沖。

副車架對(duì)改善與懸架相連的剛度等因素具有重要的意義，因此我們可以調(diào)節(jié)副車架進(jìn)而對(duì)車子的舒適程度以及可操作性能進(jìn)行調(diào)節(jié)適應(yīng)。懸架散件通常情況下預(yù)先配置在副車架上，輸入車子內(nèi)部的部件，最后再將其配置到車上。這種使用方案能夠度懸架的總體性能進(jìn)行改造，進(jìn)而能夠符合不同安裝平臺(tái)的要求，進(jìn)而節(jié)約改進(jìn)成本，有助于技術(shù)的最大化使用。

2 副車架強(qiáng)度分析問題的提出

汽車的動(dòng)力系統(tǒng)是其啟動(dòng)運(yùn)行的重要前提。因此，有關(guān)設(shè)計(jì)者在原車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的整體改進(jìn)，在換了一款新的發(fā)動(dòng)機(jī)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在行駛了6000多公里路之后，汽車的副車架出現(xiàn)了明顯的壞裂的痕跡，開裂位置為車體與擺臂相連的位置，在換了新發(fā)動(dòng)機(jī)之后，其動(dòng)力性明顯提升，因?yàn)闆]有對(duì)該車進(jìn)行實(shí)際道路載荷試驗(yàn)，因此沒有分析車子的疲勞性，而是僅僅分析了副車架的承載能力。

3 有限元模型的建立

副車架使用的是抗液壓能力的板材以及通過鋼板沖壓而形成的附件焊結(jié)構(gòu)，使用4個(gè)豎直的橡膠襯套相結(jié)合，豎直的擺臂與上下的擺臂都是與副車架直接相連的，進(jìn)而建立三維如圖1所示，進(jìn)而把建構(gòu)的模型導(dǎo)出STF，轉(zhuǎn)換格式后傳遞進(jìn)HypcrMcsh中，通過模型建構(gòu)，使得沖壓部件轉(zhuǎn)化為殼體，同時(shí)使用Shc中的相關(guān)模塊對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的劃分，將其劃分為邊長(zhǎng)為3mm正方形以及部分三角形單元網(wǎng)格，其中能夠得到70336個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，以及38432個(gè)單元，其中正方形網(wǎng)格655個(gè)，三角形網(wǎng)格2917個(gè)，此副車架使用的材料為：材料鋼，屈服極限420Pa，彈性模量210GMPa，泊松比0.3，密度7800kg.m-3。

4 動(dòng)力學(xué)計(jì)算工況載荷

如圖1所示的剛?cè)狁詈锨皯壹軇?dòng)力學(xué)模型，由于懸架的主要結(jié)構(gòu)是帶扭桿形的結(jié)構(gòu)。其中包括控制臂、緩震裝置、扭桿、副車架、穩(wěn)定桿、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成等。該模型的副車架模型所使用柔性體，通過軟件NASTRAN動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的出中性文件MNF。使用中向其中輸入所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及實(shí)際工況，進(jìn)而得到各項(xiàng)工況的結(jié)果；在實(shí)際使用軟件時(shí)應(yīng)充分考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的實(shí)際情況的改變，進(jìn)而計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)能夠輸出的最大扭矩工況，得到懸置受力。在之后的情況分析時(shí)也建立了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置模型，進(jìn)而模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩。

5.副車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1優(yōu)化理論

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)材料的空與實(shí)的問題，其基本思路是人為引入一種假想的密度可變材料，優(yōu)化時(shí)以材料密度為設(shè)計(jì)變量，將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)換為材料分布問題。變密度法是連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化常用的方法。在優(yōu)化的過程中，每一個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)化變量，通過不斷的改變優(yōu)化變量的取舍，使中間密度值盡可能的在空和實(shí)之間分布，使連續(xù)變量的拓?fù)鋬?yōu)化模型能更好的逼近離散變量的優(yōu)化模型隊(duì)采用的變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法。為了更好的改善副車架的模態(tài)特性，如果將其一階頻率值最大作為目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化迭代的過程中，由于結(jié)構(gòu)材料分布，當(dāng)一階頻率達(dá)到最大時(shí)，其它各階模態(tài)頻率的大小和振型也將隨之改變，頻率階數(shù)可能相互調(diào)換次序，引起模態(tài)振蕩現(xiàn)象，從而干擾模型求解收斂結(jié)果，也影響優(yōu)化迭代過程中的收斂性和穩(wěn)定性。為避免這種現(xiàn)象，采用平均頻率四公式，來定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，基于頻率建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型：

5.2具體優(yōu)化策略

（1）改進(jìn)材料，減輕副車架質(zhì)量；

（2）增加焊縫；

（3）檢查焊縫質(zhì)量，保證副車架穩(wěn)定性。

5.3優(yōu)化步驟

利用HyperWork、中的OptiStruct模塊的對(duì)轎車的副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。首先要確定優(yōu)化過程中的設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)和約束函數(shù)。由于拓?fù)鋬?yōu)化的函數(shù)公式在。ptiStruct中不能直接調(diào)用，可利用該軟件中的自定義方程功能，先定義平均頻率公式，然后再把定義好的函數(shù)設(shè)為響應(yīng)，最后把該響應(yīng)作為拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、在。ptiStruct中建立拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算模型。

（1）將優(yōu)化設(shè)計(jì)空間的每一個(gè)單元相對(duì)密度ρ作為設(shè)計(jì)變量。

（2）體積分?jǐn)?shù)η<80%和最大應(yīng)力作為二σnax< 400MPa約束、

（3）平均頻率最大化作為目標(biāo)函數(shù)。

5.4優(yōu)化結(jié)果分析

將修改好的副車架模型在HypcrWork、中進(jìn)行靜力分析，得到三種工況下的靜力云圖，其中應(yīng)力最大的Bump工況，優(yōu)化后的Bump工況下副車架總成Von-mists等效應(yīng)力最大值為356.1 MPa，與優(yōu)化前相比較有顯微的增加，但遠(yuǎn)小于材料的最大許用應(yīng)力420MPa，說明優(yōu)化后的副車架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能表現(xiàn)較好。

結(jié)論

通過建立包含有副車架剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行各種典型工況的動(dòng)力學(xué)分析，為計(jì)算分析副車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供邊界載荷，再根據(jù)有限元分析計(jì)算出副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力分布情況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提出改進(jìn)方案，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供一定的參考依據(jù)，并取得良好的效果。

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