新能源汽車懸置輕量化設計分析探討

張超海 徐波 王林鴻

摘 要：新能源汽車為了整車輕量化，提高續航里程，零部件在設計時要求輕量化。在結構輕量化優化達到瓶頸階段，嘗試使用密度更低的新材料代替傳統金屬材料。采用短玻纖熱塑性復合材料，再通過有限元分析，考慮材料各向異性的情況下，使用分析軟件Abaqus，Moldflow和Digimat軟件計算后，得出PA66+45%玻纖材料能滿足設計需求。

關鍵詞：懸置支架 輕量化 新能源 有限元分析

1 引言

動力總成懸置系統是支撐汽車動力總成、減緩汽車在行駛運輸中各種沖擊和降低噪音的重要系統，懸置系統主要包括，橡膠彈性單元部分，動力總成連接部分及車身支架連接部分。傳統的動力總成懸置支架均采用鑄鋁、鑄鋼、或鈑金材質。由于新能源汽車的整車裝備重量直接影響汽車的續航里程，輕量化是新能源汽車的必要發展方向。汽車的輕量化最終要分解落實到相關零部件的輕量化上[1]。塑料及纖維復合材料在汽車工業中的應用日趨廣泛，使用量持續增長，特別是在內飾件和外飾件零件中的應用[2]。

本文主要對采用短玻纖熱塑性復合材料在動力總成懸置支架上的應用進行分析研究，考慮材料玻纖的各向異性，輔助計算機軟件，闡述復合材料在動力總成懸置支架設計及分析過程的應用。

2 設計需求

某款新能源汽車需要設計匹配動力總成懸置系統，在客戶給定的車身安裝邊界及動力總成的參數上，設計與其動力總成配合的懸置彈性中心位置，懸置剛度及懸置結構。通過多體動力學軟件獲得懸置在各個工況下的受力。再通過FEA分析計算支架是否滿足設計要求。此項目動力總成由三相異步電機、差速器和減速器組成。動力總成參數如表1。

2.1 計算懸置支架受力

將動力總成懸置簡化為3向正交的彈簧阻尼模型，動力總成如圖1所示。其中①②③表示3個懸置的安裝位置。通過ADAMS多體動力學軟件計算懸置系統在客戶標準工況下受力，再分解到3個懸置上每個方向的受力。計算所得的部分工況力如表2。

2.2 結構設計

此項目在設計時，③號懸置單個支架質量達到627克重，比其他兩個懸置支架重量超過1倍之多?？紤]優化效率，主要考慮將③號懸置重量降低，以達到客戶要求。在優化過程中，正對該支架優化了多輪結構，部分結構如表3所示。從表中可以得出，輕量化結構重量較優化前輕了將近50%。

綜合對比結構、重量、加工成本、生產效率，選擇采用短玻纖熱塑性復合材料。同時復合材料具有較高的阻尼特性，如圖2。圖2是某項目兩種相同結構不同材料的力錘敲擊實驗測試結果，在結果中可以看出，短玻纖熱塑性復合材料具有更高的阻尼特性[3]。

3 仿真分析

對于熱塑性材料的成型類型，采用仿真軟件Moldflow，短玻纖復合材料在成型時，復合材料的玻纖有各項異性特性，基于此特性，采用復合特性分析軟件Digimat，再結合有限元分析軟件Abaqus的功能特點，聯合仿真分析。其流程為，應用Moldflow獲取懸置支架纖維分布方向信息，然后采用Digimat軟件獲得玻纖方向信息，建立復合材料模型，再采用Abaqus軟件對懸置支架進行強度仿真分析，仿真分析流程如圖3。

3.1 注塑成型分析

采用Moldflow 軟件對懸置支架成型過程進行模流仿真分析，獲得懸置支架在注塑過程中熔接線位置、氣泡位置及玻纖分布方向。將懸置支架的三維模型（圖4）導入到Moldflow軟件中劃分分析網格（圖5）。對懸置支架進行注塑成型仿真分析，得到注塑成型后的懸置支架的玻纖取向模型（圖6）。

3.2 材料異性參數

通過Digimat軟件得懸置支架的復合材料模型，以及玻纖取向、玻纖形狀、玻纖分布密度等信息。再采用Digimat-CAE均勻化方法獲得懸置支架分析模型在不同位置的各向異性材料特征。

該方法通過代表性體積單元（Representative Volume Element， RVE）建立宏觀與微觀的聯系。該微觀應滿足：其尺度充分小于結構尺度，相對于復合材料微觀夾雜尺度充分大[4]。通過二步均勻化過程獲得RVE上的平均響應[5]（圖7）。在1步中，通常利用Mori-Tanaka方法生成有基本體、形狀、方向的長徑比相同的玻纖構成的顆粒，并且獲得其等效剛度和玻纖含量，在第2步中，利用Voigt或Reuss理論[7]將所有網格均勻化，得到RVE 的等效材料屬性。

通過整合集體及單個纖維基礎的非線性屬性和單個單元網格上的限位方向信息生產每個單元特定的材料數據，從而獲得分析模型的材料異性參數數據。

4 強度分析

懸置支架強度校核，主要從兩個方面考慮。分別是按照傳統的材料各向同性仿真和考慮材料各向異性進行強度仿真分析。在兩種情況下均加載相同的工況載荷，工況載荷如（表2）。懸置受力主要來自動力總成扭矩輸出的反向力，及車輛運行及運輸過程中支撐動力總成的加速度受力。按照標準，懸置支架滿足上述工況力，基本上可以判定該支架能滿足車輛的所有設計需求。后期在樣件加工完成后，再進行試驗場道路試驗。

4.1 載荷及邊界條件

在懸置橡膠彈性中心位置加載工況力，彈性中心點與懸置襯套外骨架橡膠硫粘接面耦合連接，外骨架與懸置支架過盈配合，配合面采用接觸對處理。螺栓安裝位置約束6自由度（圖8）。

4.2 分析模型和網格劃分

懸置支架使用PA66+45%玻纖復合材料，基體為聚丙烯，增強玻璃纖維含量45%。拉伸模量為16400MPa（詳情見表4）。使用三維建模后直接導入Abaqus中，再使用Abaqus仿真計算表2中工況力。網格采用C3D8R6面體單元。（分析模型見圖9）

5 仿真結果

主要通過兩種分析方法判斷懸置支架結構是否滿足設計需求;

（1）假設材料為各向同性時，分析懸置支架是否滿足強度要求;

（2）懸置支架考慮各向異性時，斷裂風險系數。

5.1 假設材料為各向同性時的仿真結果

假設材料為各向同性，為仿真分析時不考慮玻纖的分布與方向信息，得到懸置支架在工況載荷下的應力應變結果（見表5）。

由上表和圖得知，應力值均較小，分析結果表明支架強度滿足設計要求。理論分析應力主要集中在安裝孔附近的加強筋上，通過經驗初步判斷，分析結果與實際較相符。后期破壞試驗確認了斷裂位置與分析一致（圖10）。

5.2 考慮材料各向異性特性時仿真結果

由于熱塑性材料對應變應力狀態（拉伸或壓縮），纖維和應變率的依賴性很大，因此材料的失效模式也依賴于這些因素。UL TRASIM故障描述法，能夠同時處理這些影響。

UL TRASIM故障描述法，指數是非線性的，通過比較應力、應變和相應的失效數值可以看出，大于0.6的數值接近最大應力。

在考慮復合材料各向異性特性，在分析過程中加入玻纖的分布方向信息。部分云圖見圖11。

6 結語

在通過兩種方法仿真分析后，結果顯示支架強度能夠滿足設計需求。在材料各向同性情況下，懸置支架靜力學分析，強度均滿足要求。在材料各項異性情況下，支架斷裂分析均小于0.6.故此判斷短玻纖熱塑性復合材料設計的③號懸置支架能夠滿足設計要求，可以進行后續加工。

目前，此結構的樣件臺架實驗及車輛路試實驗均已完成。懸置支架處于小批生產狀態，市場反饋尚無懸置支架斷裂情況。

通過對路試驗證懸置支架的可靠性，臺架破壞實驗驗證懸置支架斷裂位置，可以判斷有限元仿真分析具有一定的可靠性。材料異性分析斷裂風險參數能夠反饋支架斷裂風險系數，此分析方法具有參考意義。

參考文獻：

[1]燕戰秋，華潤蘭.輪汽車輕量化[J].汽車工程，1994，16（6）：375-383.

[2]歐陽帆.零件部輕量化是汽車輕量化的根本[J].汽車與配件，2010（10）：24-27.

[3]徐豐辰，李洪林，劉福.淺談汽車用阻尼材料阻尼系數的測試方法[J].生產現場63-67.

[4]沈觀林，胡更開.符合材料力學[M]，北京：清華大學出版社，2006：09.

[5]PIERARD O，FRIEBEL C，DOGHRIL I. Mean-field homogenization of multi-phase thermo-elastic composites：a general framework and its validation [J].Composites Sei & Technol，2004，64（10/11）：1587-1603.

[6]MORI T，TANAKA K. Average stress in matrix and average elastic energy of material with misfitting inclusions[J].Acta Metall，1973，21（5）：571-574.

[7]HASHIN Z，Shtrikman S. A variational approach to the theory of the effective magnetic permeability of multiphase materials [J]. J ApplPhys，1962（33）：3125-3131.