基于靜剛度的壓鑄鋁合金減震器塔結構優化及驗證

趙震，闞洪貴，魯后國

基于靜剛度的壓鑄鋁合金減震器塔結構優化及驗證

趙震，闞洪貴，魯后國

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章基于某輕量化車型，重點論述了壓鑄鋁合金減震器塔的靜剛度分析、結構優化和驗證過程，通過有限元仿真分析手段快速發現和識別剛度變形較大位置，再結合樣件試驗驗證，最終完成結構優化和性能達成。

輕量化；壓鑄鋁合金減震器塔；靜剛度；結構優化

引言

近年來，隨著全球能源危機、環境污染日趨嚴重，各國相繼制定了嚴格的節能、減排的法規，汽車輕量化作為有效解決節能、減排的關鍵技術之一，越來越受到汽車企業青睞。鋁合金作為重要的輕量化材料，受到行業內各車企的廣泛關注。目前，行業內鋁合金典型應用分為擠壓件、沖壓件、鑄件三大類。鋁合金高真空壓鑄車身結構件相對鋼制結構具備：輕量化、模塊化、高剛性、高強韌、高精度、結構自由等優勢，成為當前鋁合金在車身上應用研究的熱點。本文基于某輕量化車型，重點論述了壓鑄鋁合金減震器塔的靜剛度性能結構設計、仿真分析、優化和試驗驗證過程。

1 目標性能

基于原始鋼制減震器塔和標桿車減震器塔的靜剛度參數，對鋁合金減震器塔靜剛度目標進行設定，目標指標主要考察垂直、右轉彎、左轉彎、制動和靜止起步5種工況下的變形位移量[1]，具體目標值見表1。

2 有限元仿真分析與結構優化

2.1 模型及載荷描述

基于壓鑄鋁合金減震器塔3D數模建立的有限元分析模型如下圖1所示，前減震器塔左右對稱，截取部分車身（選擇右減震器塔包），約束全部自由度，在減振器塔、上擺臂前后安裝點施加載荷，考察減振器塔加載點位移量。

鈑金采用SHELL單元模擬，點焊采用ACM單元模擬，粘膠采用Adhesive單元模擬，焊縫、螺栓采用RBE2單元模擬[2-3]。

表1 鋁合金減震器塔靜剛度性能目標

性能評價項目鋼制件/mm目標值 靜剛度垂直2.5g0.356≤0.5 右轉彎1g0.194≤0.5 左轉彎1g0.458≤0.5 制動1g0.397≤0.5 靜止起步0.366≤0.5

圖1 減震器塔靜剛度分析有限元模型

2.2 分析結果

變形云圖：5種工況下的仿真分析變形云圖如圖2所示，從變形云圖上可以看出，鋁合金減震器塔上位移變形較大的位置集中在減震器安裝孔附近，分析原因是減震器安裝面與立面的連接支撐強度較弱。

圖2 鋁合金減震器塔變形位移云圖

剛度值：仿真分析剛度值見表2，從分析結果可以看出，在5種工況下鋁合金減震器塔的剛度值均滿足小于0.5 mm的目標性能要求，但是相比鋼制減震器塔，變形量略大。

表2 鋁合金減震器塔剛度仿真分析值匯總

工況X/mmY/mmZ/mmMag/mm 鋼制鋁合金?1鋼制鋁合金?1鋼制鋁合金?1鋼制鋁合金?1 垂直2.5g0.0520.076?0.187?0.2530.2990.3060.3560.404 右轉彎1g0.0260.039?0.076?0.1030.1770.1830.1940.214 左轉彎1g0.0840.082?0.116?0.1140.4350.4510.4580.472 制動1g0.0540.028?0.188?0.2170.3460.3350.3970.400 靜止起步0.0640.058?0.164?0.1970.320.3210.3660.381

2.3 結構優化

圖3 減震器安裝面過渡區Y向和X向貫通加強筋優化圖

圖4 減震器安裝底面Y向貫通加強筋優化圖

圖5 結構優化鋁合金減震器塔變形位移云圖

基于仿真分析結果，進一步分析動態云圖的變形模式，鋁合金減震器塔在5種工況下變形量比鋼制減震器塔略大，主要原因是由于減震器安裝面與立面的支撐強度較弱，因此結構優化重點是增加支撐強度：（1）增加減震器安裝面與立面連接過渡區的向加強筋長度和高度，長度由30 mm增加至60 mm，高度由10 mm增加至25 mm以增加向剛度；（2）增加向加強筋以貫穿向加強筋，用來增加向剛度，如圖3所示；（3）增加減震器安裝底面向貫通加強筋的數量，由6條增加至8條，并延伸長度至安裝面根部R角，如圖4所示，從而進一步增加減震器安裝面與立面的支撐強度剛度。

對結構優化后的鋁合金減震器塔進行仿真分析，從仿真分析結果看出，優化結構的鋁合金減震器塔變形量在5種工況下均有所下降，且變形量均小于鋼制結構，滿足設計要求，仿真分析結果詳見圖5、表3。

表3 鋁合金減震器塔剛度仿真分析值匯總（結構優化后）

工況X/mmY/mmZ/mmMag/mm 鋼制鋁合金?1鋁合金?2鋼制鋁合金?1鋁合金?2鋼制鋁合金?1鋁合金?2鋼制鋁合金?1鋁合金?2 垂直2.5g0.0520.0760.051?0.187?0.253?0.2170.2990.3060.2710.3560.4040.351 右轉彎1g0.0260.0390.029?0.076?0.103?0.0970.1770.1830.1640.1940.2140.191 左轉彎1g0.0840.0820.055?0.116?0.114?0.1090.4350.4510.3950.4580.4720.413 制動1g0.0540.0280.015?0.188?0.217?0.1960.3460.3350.3040.3970.4000.362 靜止起步0.0640.0580.043?0.164?0.197?0.1820.320.3210.2860.3660.3810.342

3 試驗驗證

基于以上結構優化方案，對鋁合金減震器塔的實物性能進行試驗驗證，結構優化鋁合金減震器塔樣件的性能解析主要包含靜剛度和靜強度。分別對左、右的減震器塔進行向剛度和向剛度、強度性能分析。

圖6 結構優化后的鋁合金減震器塔實物圖

3.1 試驗裝置及約束

減震器塔向剛度試驗的約束方式：在減震器塔周邊選擇5處位置約束，其中，1、4點僅約束向位移，2、5點全約束，3點約束向位移。

約束狀態：加載夾具用水平儀調平，加載力沿向作用，見圖7。

圖7 減震器塔X向剛度檢驗約束

減震器塔向剛度檢驗加載：加載力從0～500 N，且按每50 N為梯級，逐級加載，加載力軸線沿向；

減震器塔向剛度/強度檢驗約束約束方式：在減震器塔周邊選擇4處位置約束，其中，1、2點全約束，3、4約束、向位移。

約束狀態：加載夾具用水平儀調平，加載力沿向作用，見圖8。

圖8 減震器塔Z向剛度/強度檢驗約束

減震器塔向剛度檢驗加載：加載力從0～1 000 N，且按每100 N為梯級，逐級加載，加載力軸線垂直向下；

減震器塔向強度檢驗加載：加載力在0～1 000 N，按每200 N為梯級，逐級加載，超過1 000 N后，按50 N加載，直到加載力出現明顯、快速衰減。加載力軸線垂直向下。

3.2 試驗結果

鋁合金樣件減震器塔向剛度檢驗結果見表4，向剛度和強度檢驗結果分別見表5、表6。

圖9 鋁合金減震器塔X向剛度度檢驗力-位移曲線

圖10 鋁合金減震器塔Z向剛度度檢驗力-位移曲線

表4 鋁合金減震器塔X向剛度檢驗力—位移數據

序號左、3#右、4#序號左、3#右、4# 加載卸載 載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm 100.0000.00124500.094490.14 2500.01510.01133990.084000.13 31000.021010.02143500.073500.12 41510.031510.03153000.073000.11 52010.042000.05162480.062490.10 62510.052500.06172000.052000.09 73000.063000.07191500.051490.07 83500.063500.08201000.031000.06 94010.074000.0921500.02490.05 104500.084490.112200.01?10.04 115000.095000.1523

表5 鋁合金減震器塔Z向剛度檢驗力—位移數據

序號左、3#右、4#序號左、3#右、4# 加載卸載 載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm 100.0000.00129000.29000.34 2990.011000.04137990.198010.31 31950.032010.04147000.187000.29 43010.073010.06155990.165990.27 54000.093990.08165010.155010.24 65000.124990.11174010.134010.21 75990.135990.14183000.113000.17 86990.146990.16191990.092010.14 98010.167980.20201000.061020.12 109000.188990.262100.0300.10 119960.229970.3622

表6 鋁合金減震器塔Z向強度檢驗力—位移數據

序號左、3#右、4#序號左、3#右、4# 加載卸載 載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm載荷/N位移/mm 100.0000.00131 1540.561 2490.46 22000.051990.01141 0990.541 2000.49 34010.083990.02151 0470.521 1500.47 46010.16020.05161 0010.511 1000.48 57990.127980.09178000.481 0490.46 69990.189980.16185970.411 0000.44 71 0470.221 0520.18194000.348020.43 81 0980.241 1010.2202010.256020.26 91 1450.311 1490.222100.184010.28 101 1970.551 2000.2222 2010.17 11 1 2480.2623 10.10 12 1 2970.3124

圖11 鋁合金減震器塔Z向強度檢驗力-位移曲線

圖12 鋼制減震器塔X向、Z向剛度檢驗力-位移曲線

按照相同的試驗方法測得原鋼制減震器塔向剛度、向剛度和強度檢驗結果，相應的力-位移曲線如圖12。

4 結論

本文基于某輕量化車型，論述了壓鑄鋁合金減震器塔的靜剛度性能仿真分析、結構優化和試驗驗證過程，其中有限元仿真分析手段可快速發現和識別剛度變形較大位置，再結合樣件試驗驗證，最終完成結構優化和性能達成。

通過對比分析原鋼制件和鋁合金樣件減震器塔的靜剛度、強度數據，以及線性擬合力-位移曲線，得到以下結論：（1）無論是鋼制件還是鋁制件，左、右部位的減震器塔性能差別不大，且向剛度優于向剛度。（2）鋁合金減震器塔比鋼制件在靜剛度和靜強度方面都有提升，尤其靜剛度方面，提升比超過50%。

[1] 岳濤,汪小朋,陳樂強.基于白車身靜剛度優化車身輕量化研究[J].汽車實用技術, 2018,(012):54-55.

[2] 梁林.CAE分析在汽車白車身NVH性能開發中的應用[J].汽車實用技術,2016(12):53+65.

[3] 劉丹,劉俊紅,朱忠華,等.基于白車身靜剛度的結構膠拓撲優化分析[J].汽車工程師,2019(09):26-27.

Structural Optimization and Verification of Die-casting Aluminum Alloy Shock Absorber Tower Based on Static Stiffness

ZHAO Zhen, KAN Honggui, LU Houguo

( Technology Center of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on a lightweight vehicle, this paper focuses on the static stiffness analysis, structural optimization and verification process of die-cast aluminum alloy shock absorber tower. By means of finite element simulation analysis, the position of large stiffness deformation can be quickly found and identified.

Lightweight vehicle;Die-cast aluminum alloy shock absorber tower;Static stiffness;Structural optimization

A

1671-7988(2021)22-63-05

U467

A

1671-7988(2021)22-63-05

CLC NO.: U467

趙震（1988—），男，中級工程師，車體設計工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，主要從事白車身設計研發工作。

復雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應用關鍵共性技術研究項目（2016YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.016