基于HyperWorks的新能源車架有限元分析

鄧劍鋒

摘要： 數字化驗證在汽車全流程開發中占據越來越重要的地位，本文依托某公司在研車型項目，對工程設計階段的新能源車輛車架數據進行設計校核及性能驗證，基于HyperWorks有限元分析平臺，首先對車架進行模態分析，考查其低頻特性及驗證有限元模型的準確性，然后分析車架在起步、制動、轉向、轉向制動、垂向沖擊等五種典型工況下的應力分布情況，判斷車身強度是否滿足要求，為車架結構的優化設計提供了理論依據。

Abstract： Digital verification plays a more and more important role in the whole process of automobile development. Relying on the vehicle model project under research of a company， this paper carries out design verification and performance verification on the frame data of new energy vehicles in the engineering design stage. Based on HyperWorks finite element analysis platform， firstly， modal analysis is carried out on the frame to examine its low-frequency characteristics and verify the accuracy of finite element model， Then， the stress distribution of the frame under five typical working conditions such as starting， braking， steering， steering braking and vertical impact is analyzed to judge whether the body strength meets the requirements， which provides a theoretical basis for the optimal design of the frame structure.

關鍵詞：數字化驗證;新能源車架;有限元分析;典型工況

Key words： digital verification;new energy frame;finite element analysis;typical working condition

中圖分類號：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0071-03

0 ?引言

新能源汽車車架作為車輛整體的一部分，不僅承擔著動力電池、電機、整車控制器等重要的汽車部件的安裝承載，還要給駕乘人員提供舒適合適的乘坐駕駛空間，同時也保護乘客在發生碰撞時吸收能量，以保證乘客不受到巨大的沖擊損傷。一個主體車架要求本身具有足夠的彎曲度和強度，并且車架的剛強度與整車NVH有著直接的關聯，所以車架設計在汽車開發中是極其重要的環節。對新能源白車架的分析主要包括模態、剛強度分析，模態、剛度計算主要考查車架的低頻特性及車架剛性，車架剛性好壞直接影響車輛運動過程中NVH特性及操縱穩定性。強度計算考查車架在典型工況下的受力情況，車架強度直接影響汽車的安全性能和使用壽命。

1 ?車架有限元模型建立

按照企業技術標準對新能源白車身進行有限元模型建立，在新能源白車身的定義上，其實一直存在著一個爭論點，那就是白車身到底包不包括車輛的四門兩蓋（前機艙蓋、行李廂蓋），不同車企之間內部的定義和標準并不統一。根據機械工業部推出的標準來看，白車身定義為車身結構件及覆蓋件焊接總成，并包括前翼板、車門、前機艙蓋和行李廂蓋，但不包括附件及裝飾件的未涂漆的車身。根據企業標準不同可展開相應對比分析。在開始建模之前，需要整車部門提供白車身可編輯數模、白車身BOM表、零件清單、材料信息、焊接或膠粘CAD文件等，提供盡可能詳細的信息是建立完整精確白車身有限元模型的前提條件。

1.1 幾何清理

本文分析的新能源白車架數據來源于某公司在研車型，文件類型為CATIA軟件中可編輯part格式，因此可以直接導入前處理軟件hypermesh進行網格劃分。一般情況下，對于汽車車架這種復雜的裝配體而言，其中細小的特征不計其數，更多的特征及造型意味著要劃分更多的網格，會使得計算量大大增加，這在仿真分析中不能完全考慮到，也沒有必要。因此，劃分網格之前，需要對導入的三維數據進行必要的幾何清理，幾何清理應該遵循以下原則：

①距離大于1/2網格尺寸的線條應該適當去除其中一條;

②對于存在小縫隙的區域可以進行補面;

③對于形狀突變的面應該根據拓撲關系重新構面;

④線條上短距離存在多個點可以適當去除。

雖然目前主流前處理軟件都有一定的幾何清理功能，但大都需要手動處理，自動智能清理還亟待發展，因此在幾何清理過程中工程師的個人經驗也起到關鍵作用。

1.2 網格劃分

對新能源白車架進行剛強度及模態分析，建議網格尺寸大小采用5-8mm殼單元，比如四邊形、三角形等，三角形單元在模型中也是必要的，可以作為四邊形高質量網格的過渡，對于網格劃分應該遵循以下規則：①為了計算精確性，三角形單元數量在整個模型中不能超過5%;②對于焊點、焊縫及膠粘應該選擇合適的方式進行模擬;③劃分的單元質量應該符合企業技術標準的要求;④對于孔、槽及倒角部位可以選擇適當的簡化處理。

劃分好的新能源白車架CAE模型如圖1所示，整個白車架模型離散為1052282個單元，1152870個節點，整個白車架CAE模型的重量525kg，與白車架重量設計值差異小于5%，滿足建模要求。

1.3 載荷及邊界條件

對新能源白車架進行強度分析，一般以滿載狀態下計算車架在表1中工況下車架接附點受到的載荷作為加載條件，為了準確獲取各個接附點的受力情況，首先根據車輛設計信息進行整車多體動力學建模，需要輸入準確的懸架硬點以及各個彈性元件的剛度與阻尼參數，在Adams中對整車動力學模型輸入各種工況下的加速度信號，根據需要設置輸出的載荷信號，然后軟件會自動計算提取出各個工況下主要接附點（前后懸架、減震器、副車架、懸置點等）的靜態載荷，此靜態載荷在有限元模型中可以直接施加在車身接附點相應位置，約束輪心位置自由度，計算白車架整體受力情況。

在不考慮環境溫度及非線性影響的線性靜態計算中，可只輸入E、NU、RHO參數，其余可忽略。不同的求解器應根據實際計算的需求定義相應的材料參數卡片，白車架模型中常見的材料參數如表2。

按照實際新能源白車身模型中材料及厚度信息分別賦予相應的材料屬性，為了快速建模，可以使用hypermesh中二次開發TCL語言進行編譯，可以快速進行批量化建模，極大的節省了建模時間。

1.4 模型檢查

對于整車級別的建模及求解運算，模型檢查在有限元計算中非常重要，在進行完上述一系列操作之后需要對有限元模型進行模型檢查，一般地，在有限元前處理軟件都有對應的模型檢查模塊，可以直接運行并根據提示的警告或錯誤信息進行模型修正，提示沒有任何警告或者錯誤信息就可以直接提交進行計算。

2 ?白車架模態分析

汽車研發設計中，對新能源白車架進行模態分析的意義是在設計中盡量避免白車架與動力總成或其他零部件產生共振和噪聲，同時也可以指導設計車架剛度，增強其穩定性和安全性，計算方法與結果也可以為實車試驗提供參考和依據。

白車架模態分析為自由模態分析，即模型不加任何形式的約束。分析的頻率范圍設定為1-100Hz，下限設為1Hz，其目的是避免計算前6階的剛體模態，以節約計算時間。

通常我們使用Hyperworks軟件的optistruct求解器進行求解，算法選用蘭索士法（對應卡片為EIGRL），計算結果如圖2、圖3所示。

由計算結果可知，白車架一階扭轉模態49.8Hz，一階彎曲模態59.1Hz，白車架的一階彎扭模態頻率要避開電機轉動二階激勵頻率3Hz以上，一階彎曲模態頻率和一階扭轉模態頻率之間也要有3Hz以上的分離，滿足設計要求。

3 ?白車架強度分析

按照1.3節中邊界條件進行白車架強度分析，根據車輛實際行駛工況，采用VPG技術手段在動力學軟件Adams中建立整車模型，路面采用試驗場掃描的數字路面，輪胎采用實測的參數進行模擬，通過載荷分解得到白車架接附點處邊界載荷，施加在相應位置，進行各工況下車架靜力學計算，計算結果如圖4-圖7所示。

由計算結果可知，起步工況、制動工況及轉向下整車應力水平相對較小，最大應力分別為221.1MPa、225.9MPa、195.4MPa，應力最大位置發生在車架與懸架接附點支架處，小于材料屈服強度，滿足設計要求。

轉向制動工況最大應力為239.8MPa，最大位置發生在減震塔支座上，小于材料屈服強度，滿足設計要求。

垂向沖擊（過坑）工況主要模擬車輛在經過有坑路段時的垂向沖擊，此工況是在車輛滿載狀態下施加Z向3g加速度，較為嚴苛，從計算結果來看，最大應力258.9MPa，發生在副車架接頭部位，雖然應力較大，但仍然小于材料的屈服強度，滿足設計要求。

綜上所述，起步、制動及轉向工況下應力水平較小，因為車輛運行過程中這幾種工況是最常使用的工況，載荷水平也相對較小，想象一下，如果車輛在起步或轉彎工況就發生較嚴重的問題是顯然不能接受的。

轉彎制動和垂向沖擊工況應力水平相對較高，這也和車輛受到的載荷水平有關，垂向沖擊時車輛受到的載荷能達到3g加速度以上，轉彎制動類似漂移，受到的載荷也比較大，相應的應力水平較高。

4 ?結論

車架強度是汽車設計的重中之重，同時車架模態與整車NVH息息相關，本文借助有限元技術對新能源白車架進行自由模態和強度分析，主要得到以下結論：

①通過車架自由模態分析，得知車架一階彎扭模態相對合理，能夠避開電動機激勵，并且避免了彎扭模態耦合，動態特性較好，滿足設計要求。

②利用多體動力學軟件建立整車動力學模型，對典型工況進行模擬，通過載荷分解輸出各工況下接附點邊界載荷;并采用慣性釋放的方法對白車架進行強度分析，結果表明該新能源車架結構安全系數較高，滿足設計要求，具有一定的優化空間。

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