某車型前副車架輕量化優(yōu)化分析

周麗杰

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

引言

對于新能源電動汽車來說，減輕重量，實現(xiàn)輕量化，對增加其行駛里程和提高車身的耐久性和安全性有著非常重要的意義，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量就成為必然的途徑。同時作為有效的節(jié)能手段，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為新能源電動汽車發(fā)展的重要方向之一，這也是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

輕量化在電動汽車上的實現(xiàn)是一項極其具有挑戰(zhàn)的機械工程，汽車輕量化是集多學(xué)科、多行業(yè)于一體的完整的系統(tǒng)，涵蓋設(shè)計方法、材料科學(xué)、制造工藝等領(lǐng)域[1]，需各部門間密切合作，具有協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體優(yōu)化目標(biāo)。

1 前副車架作用及輕量化

副車架是汽車底盤的重要零部件之一，副車架的作用可以減少車輛的噪聲與振動[2]，同時還可以提高整車的剛度、強度和安全性，對于舒適性起到很重要的作用，所以其性能表現(xiàn)對于汽車而言是非常重要的。副車架輕量化指的是減輕副車架本身的重量，在保證副車架的強度、振動特性與安全性的基礎(chǔ)下，通過采用高強鋼材料、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、車型規(guī)格優(yōu)化、減薄板料厚度等方式降低副車架質(zhì)量。

2 前副車架基礎(chǔ)版仿真分析

前副車架由上片、下片、中塔內(nèi)板、中塔外板、懸置加強板等部分組成，利用多套焊接工藝序完成組裝，因此要求副車架的焊接質(zhì)量是非常高的。本論文所用的前副車架采用熱軋高強度酸洗鋼HZFB590。

（1）根據(jù)44種典型工況下的受力分析提取副車架各硬點位置所受力及力矩大小，對副車架進(jìn)行靜強度分析，基礎(chǔ)版前副車架各工況最大應(yīng)力為 505Mpa，滿足小于其材料屈服強度要求。

（2）分析前副車架及帶白車身和轉(zhuǎn)向器總成兩種狀態(tài)的一階Z向彎曲模態(tài)，分別為249和159Hz,并與標(biāo)桿車型對比，其前副車架自由模態(tài)優(yōu)于參標(biāo)桿車型、其帶白車身和轉(zhuǎn)向器狀態(tài)一階Z向彎曲模態(tài)滿足大于130HZ要求。

（3）約束前副車架與車身安裝點，計算前副車架其余硬點剛度，各硬點各向剛度位于 10-400KN/mm之間，基礎(chǔ)版前副車架硬點剛度滿足目標(biāo)值要求。

（4）基于靜載荷和路譜采集兩種載荷的板材和焊縫疲勞分析，焊縫損傷均不滿足要求，其路譜載荷焊縫損傷6.05、其靜載荷壽命有14個工況不滿足，最大位置在左側(cè)加強板前端（中塔側(cè)），需對前副車架整體優(yōu)化和輕量化。

3 前副車架性能優(yōu)化和輕量化

利用 OptiStruct 的優(yōu)化功能，對副車架進(jìn)行靈敏度和尺寸優(yōu)化分析，得到副車架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，具體步驟見下：

（1）根據(jù)仿真分析應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，與底盤設(shè)計工程師溝通商討，將加強板向中塔側(cè)加長 9mm，增加一條與中塔內(nèi)板的焊道、增加一條與上板焊道、將損傷最大處焊道由梯形焊改為搭接焊；基于路譜載荷的焊縫損傷降為 2.8，損傷降低54%；基于靜載荷的各工況焊縫壽命提高10%，前副車架質(zhì)量增加0.08kg。

（2）根據(jù)前副車架焊縫損傷分析的整體變形云圖（Z向彎曲變形）和應(yīng)力云圖，與底盤設(shè)計工程咨詢確認(rèn)，前副車架的各板可調(diào)整厚度區(qū)間為正負(fù)0.5mm。利用OptiStruct的靈敏度分析功能，設(shè)定上板、下板、中塔內(nèi)板、中塔外板、加強板、懸置加強板等9個部件的厚度屬性為設(shè)計變量，同時定義總質(zhì)量和Z向彎曲模態(tài)兩個響應(yīng)，定義總質(zhì)量最小為目標(biāo)，定義Z向彎曲模態(tài)不低于104（優(yōu)化狀態(tài)為包含前副車架、轉(zhuǎn)向器總成、前副車架與車身側(cè)彈簧單元）。通過靈敏度分析獲得零件厚度變化對Z向彎曲變形靈敏度較高的是加強板、較低的是下板和上板（靜強度分析多個工況上板應(yīng)力較高）。

（3）依據(jù)OptiStruct 靈敏度優(yōu)化結(jié)果及靜強度分析結(jié)果，利用尺寸優(yōu)化功能，對左右加強板和下板尺寸優(yōu)化。設(shè)定左側(cè)加強板厚度屬性為變量 1，初始厚度 2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm；設(shè)定右側(cè)加強板厚度屬性為變量2，初始厚度2.0mm、下限1.0mm、上限5.0mm，并將變量1與變量2厚度屬性線性關(guān)聯(lián)；設(shè)定下板厚度屬性為變量3，初始厚度2.2mm、下限1.5mm、上限3.0mm；定義總體積為響應(yīng)1，定義變量1的應(yīng)力為響應(yīng)2；目標(biāo)函數(shù)是體積響應(yīng)最小化；約束是變量1的應(yīng)力上限，定義前副車架焊縫壽命最低工況的變量1應(yīng)力低于295Mpa。通過尺寸優(yōu)化分析求得加強板厚度3.84mm、下板厚度1.9mm。經(jīng)元整的加強度厚度屬性4mm、下板厚度屬性2.0mm，前副車架質(zhì)量減輕0.2kg，減重1.2%，前副車架優(yōu)化方案見下圖。

圖1 前副車架優(yōu)化方案

4 前副車架性能驗證

采納以上優(yōu)化方案，驗證前副車架模態(tài)、硬點剛度、靜強度、靜載荷疲勞、路譜疲勞等性能。

（1）各靜載工況下，前副車架最大應(yīng)力增加到510Mpa,最大應(yīng)力位置由加強板轉(zhuǎn)移到下板，最大應(yīng)力增加1%，優(yōu)化后靜強度滿足要求。

（2）前副車架狀態(tài)Z向彎曲模態(tài)為249Hz，提升0.12%；前副車架帶白車身和轉(zhuǎn)向器總成狀態(tài)Z向彎曲模態(tài)為159HZ,降低0.06%，優(yōu)化后結(jié)果滿足振動要求。

（3）前副車架各硬點剛度平均降低 1.2%，優(yōu)化后滿足目標(biāo)值要求。

（4）基于路譜板材損傷為0.188，升高70%；基于路譜焊縫損傷為0.96，降低84%，優(yōu)化后前副車架疲勞分析。

5 總結(jié)

利用 OptiStruct 的優(yōu)化功能，對前副車架進(jìn)行靈敏度和尺寸優(yōu)化分析，獲得前副車架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化后的前副車架質(zhì)量降低1.2%，并驗證優(yōu)化后的前副車架模態(tài)、靜剛度、靜強度、板材損傷滿足要求，且基于靜載荷焊縫壽命提升65%、基于路譜載荷焊縫壽命提高84%。OptiStruct 的優(yōu)化功能在前副車架輕量化、性能提升上得到很好的應(yīng)用和幫助。