底盤(pán)后縱臂輕量化設(shè)計(jì)思路

趙云云，商乃鉅，譚文崢，楊勁飛

（廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

汽車(chē)主要由車(chē)身系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等組成，企業(yè)在車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將底盤(pán)的設(shè)計(jì)作為較為關(guān)鍵的問(wèn)題對(duì)待。汽車(chē)底盤(pán)在整車(chē)自重中占較大份額，比例達(dá)到30%以上[1]。目前汽車(chē)開(kāi)發(fā)速度飛快發(fā)展，汽車(chē)給生活帶來(lái)較大的便利以及舒適感，但汽車(chē)尾氣排放問(wèn)題卻成為一個(gè)難以解決的問(wèn)題。汽車(chē)車(chē)身重量與汽車(chē)尾氣排放有著重要的關(guān)系，車(chē)身重量越輕，相對(duì)而言尾氣排放則越少。

汽車(chē)后縱臂作為底盤(pán)重要傳力結(jié)構(gòu)，在各性能滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，應(yīng)重視零件的輕量化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用到拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等手段對(duì)零件進(jìn)行仿真評(píng)估，通過(guò)分析結(jié)算結(jié)果云圖等方式，為零件提出更優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

1 零件優(yōu)化思路

在軟件中對(duì)零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)仿真，常用較多的有3中方法：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化。三種方法在軟件設(shè)置中都有著一定的差異，根據(jù)開(kāi)發(fā)的具體情況對(duì)不同的結(jié)構(gòu)使用合適的方法，可以對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)提出合理的優(yōu)化方案，在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中起到較好的指導(dǎo)作用。

拓?fù)鋬?yōu)化是單元的密度作為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)輸入工況，以及約束設(shè)置，可以得知零件整體的材料密度分布框架，根據(jù)框架來(lái)設(shè)計(jì)材料的用量，避免材料在關(guān)鍵位置用得過(guò)少，或者在不是特別關(guān)鍵的位置用得過(guò)多[2]。

形貌優(yōu)化思路與拓?fù)鋬?yōu)化在思路上有著一定的共同點(diǎn)，但設(shè)計(jì)變量是節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)的形狀變量。根據(jù)用戶的工況輸入及約束設(shè)置，可以得到零件的起筋走勢(shì)、筋條形狀高度、筋條大小等。

尺寸優(yōu)化以零件厚度為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)用戶約束設(shè)置及工況輸入，可以得到零件不同位置單元厚度的分布情況。

2 后縱臂輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題

汽車(chē)底盤(pán)零件中往往需要到后縱臂零件，后縱臂作為底盤(pán)重要部件，在汽車(chē)行駛過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。某車(chē)企在對(duì)某車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)，為減少底盤(pán)重量，并節(jié)約材料成本，對(duì)后縱臂提出了減重需求，需在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出有效可行的輕量化解決方案?？紤]到后縱臂減重后，強(qiáng)度性能在數(shù)值上有所變動(dòng)。強(qiáng)度性能是汽車(chē)企業(yè)所關(guān)注的重要性能之一，需要對(duì)減重方案再次校核強(qiáng)度性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。原結(jié)構(gòu)后縱臂如下圖1，材料為B400/780PD，厚度為4mm。

圖1 后縱臂原結(jié)構(gòu)圖

3 有限元仿真

汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中的零件性能預(yù)測(cè)，需借助有限元軟件快速仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。底盤(pán)零件的強(qiáng)度性能仿真，基本都需要在Adams 軟件中對(duì)當(dāng)前開(kāi)發(fā)車(chē)型懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，并提取出仿真所需的硬點(diǎn)載荷[3]。再?gòu)亩嘟M載荷中挑選適合后期不同仿真分析項(xiàng)的工況作為后期輸入。

根據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)，為能夠較好體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的整體特征，保證建模更為準(zhǔn)確，更為后期得到較為精細(xì)計(jì)算結(jié)果，后縱臂采用單位5mm 的網(wǎng)格進(jìn)行建模。

后縱臂進(jìn)行尺寸優(yōu)化分析，需要將縱臂本體厚度作為設(shè)計(jì)變量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)、應(yīng)變能作為響應(yīng)，并以應(yīng)變能最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)多體懸架模型提載的工況進(jìn)行評(píng)估，決定以過(guò)坑工況載荷作為本次優(yōu)化力輸入。加載完成的模型如下圖2：

圖2 后縱臂尺寸優(yōu)化模型圖

4 尺寸優(yōu)化及更改方案

根據(jù)尺寸優(yōu)化云圖分析，后縱臂中間區(qū)域單元可以設(shè)計(jì)為較薄厚度。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，后縱臂外部框架整體不變情況下，在中間位置進(jìn)行開(kāi)孔，即去除富余區(qū)域材料。結(jié)合零件實(shí)際尺寸，以及綜合其他因素，在后縱臂材料富余位置開(kāi)長(zhǎng)孔兩端圓弧的直徑為33mm，在去除中間部分材料后，外側(cè)邊緣需起少量翻邊，在結(jié)構(gòu)整體加強(qiáng)上有著較大作用，如下圖3 方案一結(jié)構(gòu)；在方案一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮到結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)整體厚度較厚，在厚度變量上可以再做進(jìn)一步優(yōu)化，提出方案二，將后縱臂由原4.0mm 減薄到3.5mm。

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校核

后縱臂強(qiáng)度性能是一項(xiàng)關(guān)鍵的考核指標(biāo)，強(qiáng)度不足則會(huì)在后期使用過(guò)程中存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。采用慣性釋放方法對(duì)下縱臂加載極限過(guò)坑工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，三種方案最大應(yīng)力位置基本一致。其中方案一應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)，方案二應(yīng)力稍有提升。根據(jù)企業(yè)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，后縱臂最大應(yīng)力在材料屈服極限強(qiáng)度以內(nèi)視為滿足設(shè)計(jì)要求。后縱臂材料B400/780DP 屈服極限強(qiáng)度400MPa，所以方案二仍有較大的安全裕度，故認(rèn)為兩種方案都能滿足強(qiáng)度性能標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 應(yīng)力云圖

原結(jié)構(gòu)后縱臂總質(zhì)量1.5Kg，方案一總質(zhì)量1.4Kg，相對(duì)原結(jié)構(gòu)減重6.7%；方案二質(zhì)量1.2Kg，相對(duì)原結(jié)構(gòu)減重20%，具體性能變化如下表1。在應(yīng)力增幅不多情況下，方案二可以實(shí)現(xiàn)較好的減重效果，可以作為最終方案實(shí)施。

表1 性能變化表

6 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元仿真軟件，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浞抡嬗?jì)算，參考尺寸優(yōu)化仿真計(jì)算結(jié)果，根據(jù)單元厚度不同分布設(shè)計(jì)零件厚度，可以使材料較好使用到關(guān)鍵位置，避免材料在設(shè)計(jì)上的不必要浪費(fèi)。

（2）根據(jù)尺寸優(yōu)化云圖進(jìn)行分析，結(jié)合后縱臂材料強(qiáng)度性能考慮，可以提出更為激進(jìn)的輕量化方案，將后縱臂減重20%，實(shí)現(xiàn)較大的減重目標(biāo)。本文思路可以為拓展與其他零件以及其他車(chē)型的輕量化提案中，為后續(xù)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒性經(jīng)驗(yàn)。