基于靈敏度控制的某商用車(chē)前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

徐守富 孫濤 鄭非 劉斌 鄭松林

摘要：根據(jù)某款處于前期開(kāi)發(fā)階段的商用車(chē)前副車(chē)架的開(kāi)發(fā)要求，結(jié)合有限元法對(duì)前副車(chē)架在4種典型惡劣工況進(jìn)行了剛強(qiáng)度分析與模態(tài)分析。采用靈敏度分析方法分析了多個(gè)設(shè)計(jì)變量的輕量化潛力，最終選擇可用于輕量化的板厚度變量作為尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并對(duì)前副車(chē)架輕量化方案中的剛強(qiáng)度、模態(tài)特性進(jìn)行了校驗(yàn)分析。根據(jù)疲勞壽命估計(jì)理論，采用Ncode軟件對(duì)該商用車(chē)前副車(chē)架疲勞壽命進(jìn)行了估計(jì)，保證了輕量化設(shè)計(jì)方案的可行性及可靠性，為今后商用車(chē)前副車(chē)架等部件在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期的輕量化設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)例參照。

關(guān)鍵詞：前副車(chē)架;有限元法;靈敏度;輕量化設(shè)計(jì);疲勞壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：u463.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)副車(chē)架作為當(dāng)今主流汽車(chē)的底盤(pán)重要承載件，與車(chē)身、懸架系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置相連，它在提升汽車(chē)乘坐舒適性、底盤(pán)剛、強(qiáng)度和操控性的同時(shí)，也提高了裝配便利性及設(shè)計(jì)通用性。副車(chē)架對(duì)消減路面和動(dòng)力總成等激勵(lì)源產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲起到了關(guān)鍵作用。同時(shí)，前副車(chē)架提高了前懸架的連接剛度，進(jìn)而提升了整車(chē)舒適性。然而，前副車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理會(huì)導(dǎo)致共振和斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而嚴(yán)重影響整車(chē)性能。因此，對(duì)前副車(chē)架動(dòng)、靜態(tài)特性的分析與優(yōu)化是確保整車(chē)舒適性重要因素之一。

1前副車(chē)架剛強(qiáng)度特性及模態(tài)分析

1.1有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)初期的開(kāi)發(fā)要求，該前副車(chē)架需安裝動(dòng)力總成前懸置支架、轉(zhuǎn)向機(jī)支架、下擺臂連接支架以及穩(wěn)定桿安裝襯套。初步設(shè)計(jì)的前副車(chē)架由前后橫梁、左右縱梁以及連接支架組成。梁為鈑金沖壓件，槽形結(jié)構(gòu)。采用前處理Hypermesh軟件并選擇殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在Hypermesh軟件中賦予材料屬性和板厚。選用的材料為SAPH440，其材料特性參數(shù)為：屈服強(qiáng)度σs為440MPa;抗拉強(qiáng)度σb為570MPa;彈性模量為210GPa;泊松比為0.3。

1.2虛擬工況的建立

車(chē)輛在行駛過(guò)程中受到來(lái)自內(nèi)部和外部各種載荷的作用，從而形成各種復(fù)雜的工況。優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要約束條件之一是在某種工況下所能承受的最大強(qiáng)度。實(shí)際載荷工況有多種，根據(jù)對(duì)載荷測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)度分析的長(zhǎng)期實(shí)踐，可以將載荷工況分為三大類(lèi)，即靜態(tài)工況、耐久工況和惡劣工況。由于輕量化設(shè)計(jì)時(shí)采用最普遍也最?lèi)毫拥墓r，因此分別選取在轉(zhuǎn)向、最大制動(dòng)、最大倒車(chē)制動(dòng)和左右前輪垂向沖擊4種比較典型的工況下，分析前副車(chē)架經(jīng)受縱向載荷、側(cè)向載荷和垂向載荷作用時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移變形。

前副車(chē)架有限元模型和設(shè)計(jì)硬點(diǎn)如圖1所示，圖中1～14各點(diǎn)為硬點(diǎn)。在建立前副車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型時(shí)，施加的約束邊界條件與約束模態(tài)分析中的約束條件一致，即對(duì)1、5、9、13各點(diǎn)作6自由度的全約束處理;對(duì)于加載的外載荷條件，則根據(jù)前懸架運(yùn)動(dòng)中受力方向不同，前副車(chē)架載荷加載點(diǎn)分別為2、3、4、6、7、8、10、11、12、14。

1.3剛強(qiáng)度特性分析

在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，主要觀察前副車(chē)架在4種工況下的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力及其位置等。經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得到4種工況下的應(yīng)力云圖，如圖2所示，其中σ-max為最大應(yīng)力。

由圖2中可知：最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況下，值為350MPa;前副車(chē)架在不同工況下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限，前副車(chē)架結(jié)構(gòu)具有較大的輕量化潛力。同時(shí)，不同工況下最大應(yīng)力點(diǎn)主要集中在左右擺臂和縱梁連接處，該處為前副車(chē)架強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮。

1.4前副車(chē)架模態(tài)分析

前副車(chē)架的模態(tài)頻率應(yīng)與道路激勵(lì)頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率避開(kāi)，否則將引起共振，嚴(yán)重影響車(chē)輛舒適性。為了避免產(chǎn)生共振，采用自由模態(tài)分析法對(duì)前副車(chē)架進(jìn)行分析。前副車(chē)架的前5階模態(tài)頻率如表1所示。根據(jù)分析，該前副車(chē)架的1階頻率為102.4Hz，遠(yuǎn)高于一般城市路面的激勵(lì)頻率50Hz。

該車(chē)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其在怠速工況下轉(zhuǎn)速為600r·min^-1。城市道路上行駛車(chē)速為50～80km·h^-1，因此由式（1）可得，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下引起的激勵(lì)頻率為20Hz，在行駛工況下引起的激勵(lì)頻率為40～90Hz。因此，前副車(chē)架1階頻率高于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的頻率，從而可有效避免共振。

2基于靈敏度的前副車(chē)架尺寸優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化作用的不同，尺寸優(yōu)化通常分為改進(jìn)結(jié)構(gòu)、修改拓?fù)潢P(guān)系、靈敏度分析。前兩種方法由于需要對(duì)前副車(chē)架結(jié)構(gòu)做重大修改，因此常運(yùn)用于設(shè)計(jì)初期，否則會(huì)因修改結(jié)構(gòu)參數(shù)而大幅增加成本。而基于靈敏度的板厚度優(yōu)化，可以高效找出需要優(yōu)化的板厚并進(jìn)行優(yōu)化，成本增加少，特別適合在設(shè)計(jì)后期和產(chǎn)品成型階段。

2.1靈敏度分析基本原理

2.2前副車(chē)架靈敏度分析

綜合考慮前副車(chē)架的結(jié)構(gòu)形式，選取前副車(chē)架各零件結(jié)構(gòu)的厚度（共8個(gè)變量）作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量（如表2所示），分析得到不同零件對(duì)前副車(chē)架強(qiáng)度和1階模態(tài)頻率的響應(yīng)靈敏度，結(jié)果如圖3所示。

在圖3中：負(fù)的靈敏度表示隨著材料厚度的減小，前副車(chē)架模態(tài)頻率和強(qiáng)度均增加，數(shù)值的絕對(duì)值越大表示增加的程度越大;正的靈敏度則恰恰相反。由于前副車(chē)架模態(tài)頻率要求避開(kāi)路面激勵(lì)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作頻率，所以優(yōu)化前、后的模態(tài)頻率不應(yīng)有較大的降幅;而前副車(chē)架強(qiáng)度要求不應(yīng)超過(guò)材料屈服極限的上限。根據(jù)模態(tài)頻率要求應(yīng)選取圖3中靈敏度為負(fù)值或較小的正值，根據(jù)強(qiáng)度要求應(yīng)選取圖3中靈敏度為正值或較小的負(fù)值，因此，結(jié)合模態(tài)頻率和強(qiáng)度共同影響應(yīng)選取零件1、2、4、8。

2.3前副車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)

2.3.2輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，在4種工況下分別進(jìn)行求解，經(jīng)過(guò)10次迭代，目標(biāo)函數(shù)收斂。由于材料的厚度具有一定的規(guī)格，所以應(yīng)將優(yōu)化值圓整。優(yōu)化結(jié)果如表3所示。