SUV汽車車架的輕量化設(shè)計

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，車輛(乘用車)每減輕重量10% 即可降低油耗3.5%～6.0%[1]。因此減少車輛(乘用車)的重量成為減少能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的一種有效辦法。但減少汽車的重量會影響汽車的安全性能，如發(fā)生碰撞時車輛的重量如果過小會導(dǎo)致變形量過大，從而影響到乘員的人身安全。本文主要研究當(dāng)汽車的車架重量減少5%時，碰撞產(chǎn)生的變形量與以原重量車架碰撞產(chǎn)生變形量的不同，從而判斷將車架重量減少5%后車輛是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。采用實體車輛進(jìn)行碰撞實驗成本高且重復(fù)性差，利用有限元仿真的方法模擬汽車在不同重量情況下碰撞的成本低，可重復(fù)性好。本研究選取某SUV汽車的車輛進(jìn)行輕量化研究，項目來自某非承載式車身的SUV提升碰撞安全性(改動主要在原車架上提升縱梁的強度、增加碰撞吸能機(jī)構(gòu))后車架輕量化設(shè)計，要求車架在輕量化設(shè)計后碰撞安全性、車架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)均不降低。

1 汽車輕量化概念及車架結(jié)構(gòu)

汽車輕量化，主要是在確保汽車安全性能的同時，能夠使汽車整備的重量獲得顯著降低，從而使汽車的動力性有所提高，在燃料的消耗方面有顯著降低。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備重量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車輕量化的主導(dǎo)思想是在汽車安全性能穩(wěn)步提高的前提下，實現(xiàn)對各總成零部件的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)對車型譜的全面優(yōu)化[2-4]。汽車車架一般由縱梁和橫梁組成，其形式主要有邊梁式和中梁式兩種。

2 減重目標(biāo)確定

首先要確定需要減輕的汽車總重量，然后根據(jù)減重方案把總的減重目標(biāo)值分解到各系統(tǒng)、總成、部件，以及零件中。除重量目標(biāo)值以外，大部分還要確定費用、增加成本、改動周期目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)改良、材料選擇、減少配置等方面，根據(jù)減重策略、目標(biāo)設(shè)計具體的減重策略。

3 SUV車架有限元模型的建立與研究流程

選取SUV汽車車架，利用hypermesh軟件進(jìn)行車架的網(wǎng)格劃分。具體步驟如下：抽取IGES格式的SUV汽車模型的中面，用10 mm×10 mm的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。小于5 mm的螺栓連接孔直接忽略，5～8 mm的螺栓孔采用washer 5 mm和周圍6個節(jié)點的網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分。車架一共由24個部件組成，各部件之間采用rigid剛性單元連接來模擬真實的焊接，如圖1所示。車身大多使用鈑金件，其厚度設(shè)置為1.8 mm。車架總體網(wǎng)格總數(shù)為80 321個，均采用四邊形網(wǎng)格。四邊形網(wǎng)格較三角形網(wǎng)格有許多突出優(yōu)勢，如網(wǎng)格變形性好、仿真精度高、總體網(wǎng)格數(shù)量少、求解時間少等。

為保證SUV車架輕量化仿真的有效性和精確性，采用以下流程：

(1)利用catia或solidworks建立車架的幾何模型，本研究采用catia軟件；

(2)由于車架大部分是鈑金件，所以將幾何模型導(dǎo)入到hypermesh后進(jìn)行中面抽取再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用rigid單元進(jìn)行網(wǎng)格間的連接，后賦予模型材料和屬性以及邊界條件；

(3)導(dǎo)出k文件，提交到LS-DYNA進(jìn)行求解，若求解出現(xiàn)錯誤，依據(jù)求解錯誤提示返回hypermesh進(jìn)行修改；

(4)若求解正確，將求解得到的d3plot文件導(dǎo)入到hyperview觀察變形量，然后得出實驗結(jié)論。

圖1 某SUV車架的有限元模型

4 模型材料參數(shù)的獲取和賦予

汽車部件的材料參數(shù)通過力學(xué)實驗獲得，車架的主要材料為鋼，在LS-DYNA求解器接口中主要是以matl24為代表，其密度為7.78e-9 t/mm3，彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3(無量綱)，屈服強度為338 MPa，車架不同部位零件密度略有差異，為了研究的方便統(tǒng)一采用較為普遍的7.78e-9 t/mm3的密度值。

5 仿真結(jié)果

本仿真研究采用不同重量SUV的底部車架以50 km/h的速度進(jìn)行正碰，觀察其變形量，如圖2所示。其中，圖2(a)、圖2(d)為137 kg車架的碰撞仿真位移云圖，圖2(b)、圖2(c)為重量減少5%后即130 kg車架的碰撞仿真移云圖。

6 仿真結(jié)果分析

相關(guān)研究表明，40%的車輛交通事故都是正面碰撞，因此研究正碰時車輛車架的變形量，仿真采用車架以50 km/h的速度進(jìn)行正碰。仿真結(jié)果以位移云圖表示，不同的變形量區(qū)間以不同的顏色表示，每個區(qū)間大小約為e2mm級，其中紅色為最大值，約為8.213e2mm，深藍(lán)色為0 mm。從仿真結(jié)果可以看出，重量減少5%后，在0.06 s時，減少重量后車架的位移比沒有減少之前的位移多7 mm左右。在0.08 s時，減少重量后車架后面部分的位移與沒有減少之前相差不多，兩者僅相差2 mm。由此可知，此SUV汽車的車架重量整體減少5%后汽車的安全性能改變不大，達(dá)到了輕量化效果，從而達(dá)到減少單位油耗量的目標(biāo)。

圖2 車架碰撞仿真位移云圖

7 汽車輕量化材料的發(fā)展

目前很多汽車仍采用普通性能的鋼，但已開發(fā)出了很多新型材料，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。其中高強度鋼被用于許多部件，如白車身、副車架、車架等汽車零件上。目前，我國汽車市場的輕量化設(shè)計中，在保證安全及經(jīng)濟(jì)效益的前提下，對高強度鋼板的厚度進(jìn)行減薄處理可以大幅度地減少汽車整體的重量，以減少耗油率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

8 小結(jié)

利用hypermesh為前處理軟件，LS-DYNA為求解軟件，進(jìn)行SUV汽車車架的仿真正碰，以不同重量車架在同一時間的變形量為觀察對象，同時以變形量為汽車車架安全性能的衡量指標(biāo)進(jìn)行分析，得出總重量為137 kg汽車底部車架在減少5%重量的情況下，在同一時間最大變形量為7 mm，最小變形量為3 mm，符合安全要求。

此仿真碰撞仍存在一些缺陷，后期有待研究：①僅僅是車架進(jìn)行碰撞仿真，車輛其他部分會影響車架碰撞仿真的準(zhǔn)確性；②車架沒有與地面接觸，地面會給整車一個摩擦力，車架沒有地面給予的摩擦力使受到的力偏大，對此可以進(jìn)行深入地研究。