基于有限元分析的前副車架輕量化設計

韋俊杰 蒙順金

摘 ?要：為實現(xiàn)前副車架輕量化的優(yōu)化設計，提出基于有限元分析的前副車架輕量化設計方法。結合結構、材料和工藝參數分析方法，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數檢測模型，通過零部件模擬和零部件數據庫信息融合分析，建立前副車架輕量化的有限元分析模型;分析車身剛度和各零部件厚度，建立前副車架輕量化設計路線下的彈性靜力學有限元平衡分析模型;在車輛側圍結構變形吸能控制下，實現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，提高車身前副車架的側碰安全性。分析結果表明，采用設計方法進行前副車架輕量化設計，降低了車身重量的同時，安全性較好，為車身輕量化設計提供新思路。

關鍵詞：有限元分析;前副車架;車輛側圍結構;工藝參數

中圖分類號：U463 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

0 ?引言

隨著車身結果的輕量化設計技術的發(fā)展，研究前副車架輕量化設計方法，構建前副車架輕量化結構參數分析模型，通過材料成型技術和汽車材料的優(yōu)化設計，建立符合車身安全性的前副車架輕量化設計參數模型，減輕車身重量，提高車身的安全性，在車身內部結構的板件和支撐起車身結構零件設計中，通過建立汽車制造材料的結構性能參數分析模型，分析前副車架的車輛量化參數特征[1]，通過車身結構性能參數分析，進行結構性能的理論參數分析，提高汽車的車身的前副車架安全性，通過建立大梁結構的非承載式車身的有限元分析模型，結合車輛可靠性參數分析和設計，進行前副車架的結構性能優(yōu)化設計，為前副車架的輕量化設計提供基礎數據，從而為車身的安全檢測和數據分析提供理論參數基礎[2]。

對前副車架輕量化設計是建立在汽車車身結構分析基礎上，結合車身覆蓋件結構參數分析，進行車身優(yōu)化結構分析，并依靠力學和數學理論分析，采用有限元分析的方法，實現(xiàn)前副車架輕量化。本文提出基于有限元分析的前副車架輕量化設計方法，結合結構、材料和工藝參數分析方法[3]，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數檢測模型，通過零部件模擬和零部件數據庫信息融合分析，建立前副車架輕量化的有限元分析模型，通過對車身剛度和各零部件厚度分析，建立前副車架輕量化設計路線下的彈性靜力學有限元平衡分析模型，在車輛側圍結構變形吸能控制下，實現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，采用有限元分析的方法，實現(xiàn)前副車架輕量化設計[4]，最后進行分析測試，展示了本文方法在提高前副車架輕量化設計效能方面的優(yōu)越性能。

1前副車架結構參數分析

應輕量化開發(fā)需求，開展前副車架總成優(yōu)化工作，根據優(yōu)化前副車架原型數模和輸入邊界進行結構設計、性能對比分析。這次分析主要圍繞著副車架本體及支架的強度、懸置支架的強度及剛度、模態(tài)進行分析。研究的零件分別為副車架本體、懸置支架、方向機支架、左右擺臂支架，材料牌號分別為WL510、WL510、WL510、QSTE420TM /4.0mm，約束與車身連接的四個固定點位置，分別在下擺臂前后安裝點、穩(wěn)定桿安裝點以及轉向機安裝點施加載荷、懸置位置施加載荷，如圖1。副車架相關材料參數見表1。

根據表2的參數配置，建立前副車架的剛度、模態(tài)、碰撞參數檢測模型，通過零部件模擬和零部件數據庫信息融合分析，根據斷面基本形狀和裝配關系，建立前副車架輕量化的有限元分析模型，通過對車身剛度檢測，得到剛度分布的均值和方差為：

（1）

（2）

其中， 表示車型造型結構應力參數，建立車身側圍結構的關鍵承載應力參數分析模型，車身側碰安全性能監(jiān)控的模態(tài)分量為：

（3）

其中， 為不同結構的點焊強度， 為相位參數， 為基本靜 動態(tài)幅值，提取碰撞過程的能量參數，輸出 為一組正整數，表示能量傳遞次數，綜上分析，建立驅動旋轉機械磨損狀態(tài)，在身側碰安全性能監(jiān)控位置，得到對面域尺度振型狀態(tài)分量N，公式為：

（4）

式中 為正整數，表示損傷程度， 為不同頻段上的信息屬性， 為前副車架的剛度， 為前副車架輕量化設計的材料參數， 為無損結構的模型參數。

2前副車架結構有限元分析設計

引入受力狀態(tài)和幾何參數分析，建立前副車架結構有限元參數分析模型，以截面受力狀態(tài)、幾何參數和材料屈服為基準變量，得到截面受力狀態(tài)和幾何參數：

（5）

其中， 為彈性模量調整參數， 為初始荷載， 為待定系數，于截面組合法建立了軸力分析模型，得到前副車架結構有限元分布下的向后制動工況參數為：

（6）

其中 為正整數， ， 為強軸向彎矩，建立應力誤差分布函數為 。由此，得到剪力、扭矩和翹曲力矩的作用參數模型。綜上分析，在車輛側圍結構變形吸能控制下，實現(xiàn)前副車架輕量化控制和動態(tài)有限元分析，提高車身前副車架的側碰安全性。

3分析測試

分析中，采用ANLYSIS有限元分析軟件，進行前副車架輕量化設計及安全性分析，模型參數設定如下：單元平均尺寸：8mm×8mm;網格數量：2.5萬;模型質量： 20.1k;焊縫采用seam單元模擬，螺栓采用Rbe2單元模擬;約束條件：螺栓固定位置6自由度完全約束。建立的有限元模型見圖2，測試得到不同結構部件的輕量化檢測系數見表3。

在此基礎上，得到優(yōu)化前后的有限元分析結果如圖3所示。

分析圖3得知，本文方法能有效實現(xiàn)前副車架輕量化設計，該副車架重量從25.07降到20.1，減重4.97kg，降幅達19.8%，輕量化效果明顯。

副車架強度分析結果：副車架優(yōu)化前后對比分析應力云圖如圖4所示。

通過副車架本體對比分析應力云圖得到，優(yōu)化前后應力有所下降、PEEQ降低，副車架本體有限元分析結果見表4。通過副車架懸置對比分析應力云圖，副車架懸置強度有限元分析結果見表5。

副車架模態(tài)對比分析結果：副車架優(yōu)化前后對比分析模態(tài)陣型圖如圖5所示.

通過副車架模態(tài)對比分析陣型圖得到，優(yōu)化前副車架模態(tài)有限元分析結果如表6。

分析表4、表5和表6結果得知，采用該方法進行前副車架輕量化設計，降低了重量的同時，提高了性能。

4結語

建立汽車制造材料的結構性能參數分析模型，分析前副車架的車輛量化參數特征，通過結構性能參數分析，進行結構性能的理論參數分析，提高汽車的前副車架性能的同時降低了重量。有限元分析結果表明，本文方法降低了前副車架重量，提高了前副車架性能，輕量化效果明顯，重量降幅19.8%。

參考文獻

[1]張捷.UG軟件在汽車車身CAD建模中的使用[J].內燃機與配件，2021（19）：206-207.

[2]史濤，劉翥寰，高忠林，田增泰，于世寶.汽車車身鋁合金點焊的特點及對焊接設備的要求[J].焊接技術，2021，50（09）：120-123.

[3]田萌.多材料結構汽車車身的輕量化設計研究[J].汽車實用技術，2021，46（17）：134-136.

[4]李軍，劉鑫，曹廣祥，張林陽.汽車車身高強度鋼的應用發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].汽車工藝與材料，2021（08）：1-6.

作者簡介：韋俊杰（1972-），男，壯，廣西平果，高級工程師，學士，從事汽車產品研發(fā)