基于靜剛度的壓鑄鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

趙震，闞洪貴，魯后國

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章基于某輕量化車型，重點(diǎn)論述了壓鑄鋁合金減震器塔的靜剛度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗(yàn)證過程，通過有限元仿真分析手段快速發(fā)現(xiàn)和識別剛度變形較大位置，再結(jié)合樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，最終完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能達(dá)成。

輕量化；壓鑄鋁合金減震器塔；靜剛度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

近年來，隨著全球能源危機(jī)、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，各國相繼制定了嚴(yán)格的節(jié)能、減排的法規(guī)，汽車輕量化作為有效解決節(jié)能、減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，越來越受到汽車企業(yè)青睞。鋁合金作為重要的輕量化材料，受到行業(yè)內(nèi)各車企的廣泛關(guān)注。目前，行業(yè)內(nèi)鋁合金典型應(yīng)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(jié)構(gòu)件相對鋼制結(jié)構(gòu)具備：輕量化、模塊化、高剛性、高強(qiáng)韌、高精度、結(jié)構(gòu)自由等優(yōu)勢，成為當(dāng)前鋁合金在車身上應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。本文基于某輕量化車型，重點(diǎn)論述了壓鑄鋁合金減震器塔的靜剛度性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證過程。

1 目標(biāo)性能

基于原始鋼制減震器塔和標(biāo)桿車減震器塔的靜剛度參數(shù)，對鋁合金減震器塔靜剛度目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，目標(biāo)指標(biāo)主要考察垂直、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎、制動和靜止起步5種工況下的變形位移量[1]，具體目標(biāo)值見表1。

2 有限元仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 模型及載荷描述

基于壓鑄鋁合金減震器塔3D數(shù)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(diǎn)施加載荷，考察減振器塔加載點(diǎn)位移量。

鈑金采用SHELL單元模擬，點(diǎn)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(biāo)

性能評價(jià)項(xiàng)目鋼制件/mm目標(biāo)值 靜剛度垂直2.5g0.356≤0.5 右轉(zhuǎn)彎1g0.194≤0.5 左轉(zhuǎn)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(jié)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(qiáng)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(jié)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(biāo)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(zhuǎn)彎1g0.0260.039?0.076?0.1030.1770.1830.1940.214 左轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖3 減震器安裝面過渡區(qū)Y向和X向貫通加強(qiáng)筋優(yōu)化圖

圖4 減震器安裝底面Y向貫通加強(qiáng)筋優(yōu)化圖

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化鋁合金減震器塔變形位移云圖

基于仿真分析結(jié)果，進(jìn)一步分析動態(tài)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(qiáng)度較弱，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化重點(diǎn)是增加支撐強(qiáng)度：（1）增加減震器安裝面與立面連接過渡區(qū)的向加強(qiáng)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(qiáng)筋以貫穿向加強(qiáng)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(qiáng)筋的數(shù)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(jìn)一步增加減震器安裝面與立面的支撐強(qiáng)度剛度。

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金減震器塔進(jìn)行仿真分析，從仿真分析結(jié)果看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)要求，仿真分析結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(zhuǎn)彎1g0.0260.0390.029?0.076?0.103?0.0970.1770.1830.1640.1940.2140.191 左轉(zhuǎn)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(yàn)驗(yàn)證

基于以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對鋁合金減震器塔的實(shí)物性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)優(yōu)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(qiáng)度。分別對左、右的減震器塔進(jìn)行向剛度和向剛度、強(qiáng)度性能分析。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金減震器塔實(shí)物圖

3.1 試驗(yàn)裝置及約束

減震器塔向剛度試驗(yàn)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(diǎn)僅約束向位移，2、5點(diǎn)全約束，3點(diǎn)約束向位移。

約束狀態(tài)：加載夾具用水平儀調(diào)平，加載力沿向作用，見圖7。

圖7 減震器塔X向剛度檢驗(yàn)約束

減震器塔向剛度檢驗(yàn)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(qiáng)度檢驗(yàn)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(diǎn)全約束，3、4約束、向位移。

約束狀態(tài)：加載夾具用水平儀調(diào)平，加載力沿向作用，見圖8。

圖8 減震器塔Z向剛度/強(qiáng)度檢驗(yàn)約束

減震器塔向剛度檢驗(yàn)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(qiáng)度檢驗(yàn)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(xiàn)明顯、快速衰減。加載力軸線垂直向下。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

鋁合金樣件減震器塔向剛度檢驗(yàn)結(jié)果見表4，向剛度和強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果分別見表5、表6。

圖9 鋁合金減震器塔X向剛度度檢驗(yàn)力-位移曲線

圖10 鋁合金減震器塔Z向剛度度檢驗(yàn)力-位移曲線

表4 鋁合金減震器塔X向剛度檢驗(yàn)力—位移數(shù)據(jù)

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(yàn)力—位移數(shù)據(jù)

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(qiáng)度檢驗(yàn)力—位移數(shù)據(jù)

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(qiáng)度檢驗(yàn)力-位移曲線

圖12 鋼制減震器塔X向、Z向剛度檢驗(yàn)力-位移曲線

按照相同的試驗(yàn)方法測得原鋼制減震器塔向剛度、向剛度和強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果，相應(yīng)的力-位移曲線如圖12。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證過程，其中有限元仿真分析手段可快速發(fā)現(xiàn)和識別剛度變形較大位置，再結(jié)合樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，最終完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能達(dá)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(qiáng)度數(shù)據(jù)，以及線性擬合力-位移曲線，得到以下結(jié)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(yōu)于向剛度。（2）鋁合金減震器塔比鋼制件在靜剛度和靜強(qiáng)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(qiáng).基于白車身靜剛度優(yōu)化車身輕量化研究[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2018,(012):54-55.

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

[3] 劉丹,劉俊紅,朱忠華,等.基于白車身靜剛度的結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)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(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事白車身設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)研究項(xiàng)目（2016YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.016