基于HyperWorks的新能源車架有限元分析

鄧劍鋒

摘要： 數(shù)字化驗(yàn)證在汽車全流程開(kāi)發(fā)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位，本文依托某公司在研車型項(xiàng)目，對(duì)工程設(shè)計(jì)階段的新能源車輛車架數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核及性能驗(yàn)證，基于HyperWorks有限元分析平臺(tái)，首先對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，考查其低頻特性及驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，然后分析車架在起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向制動(dòng)、垂向沖擊等五種典型工況下的應(yīng)力分布情況，判斷車身強(qiáng)度是否滿足要求，為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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(guān)鍵詞：數(shù)字化驗(yàn)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(hào)：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(dān)著動(dòng)力電池、電機(jī)、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(shí)也保護(hù)乘客在發(fā)生碰撞時(shí)吸收能量，以保證乘客不受到巨大的沖擊損傷。一個(gè)主體車架要求本身具有足夠的彎曲度和強(qiáng)度，并且車架的剛強(qiáng)度與整車NVH有著直接的關(guān)聯(lián)，所以車架設(shè)計(jì)在汽車開(kāi)發(fā)中是極其重要的環(huán)節(jié)。對(duì)新能源白車架的分析主要包括模態(tài)、剛強(qiáng)度分析，模態(tài)、剛度計(jì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中NVH特性及操縱穩(wěn)定性。強(qiáng)度計(jì)算考查車架在典型工況下的受力情況，車架強(qiáng)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(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新能源白車身進(jìn)行有限元模型建立，在新能源白車身的定義上，其實(shí)一直存在著一個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)，那就是白車身到底包不包括車輛的四門兩蓋（前機(jī)艙蓋、行李廂蓋），不同車企之間內(nèi)部的定義和標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。根據(jù)機(jī)械工業(yè)部推出的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，白車身定義為車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件焊接總成，并包括前翼板、車門、前機(jī)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(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同可展開(kāi)相應(yīng)對(duì)比分析。在開(kāi)始建模之前，需要整車部門提供白車身可編輯數(shù)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(xì)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(shù)據(jù)來(lái)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(dǎo)入前處理軟件hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一般情況下，對(duì)于汽車車架這種復(fù)雜的裝配體而言，其中細(xì)小的特征不計(jì)其數(shù)，更多的特征及造型意味著要?jiǎng)澐指嗟木W(wǎng)格，會(huì)使得計(jì)算量大大增加，這在仿真分析中不能完全考慮到，也沒(méi)有必要。因此，劃分網(wǎng)格之前，需要對(duì)導(dǎo)入的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的幾何清理，幾何清理應(yīng)該遵循以下原則：

①距離大于1/2網(wǎng)格尺寸的線條應(yīng)該適當(dāng)去除其中一條;

②對(duì)于存在小縫隙的區(qū)域可以進(jìn)行補(bǔ)面;

③對(duì)于形狀突變的面應(yīng)該根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系重新構(gòu)面;

④線條上短距離存在多個(gè)點(diǎn)可以適當(dāng)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(dòng)處理，自動(dòng)智能清理還亟待發(fā)展，因此在幾何清理過(guò)程中工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)也起到關(guān)鍵作用。

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)新能源白車架進(jìn)行剛強(qiáng)度及模態(tài)分析，建議網(wǎng)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(zhì)量網(wǎng)格的過(guò)渡，對(duì)于網(wǎng)格劃分應(yīng)該遵循以下規(guī)則：①為了計(jì)算精確性，三角形單元數(shù)量在整個(gè)模型中不能超過(guò)5%;②對(duì)于焊點(diǎn)、焊縫及膠粘應(yīng)該選擇合適的方式進(jìn)行模擬;③劃分的單元質(zhì)量應(yīng)該符合企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求;④對(duì)于孔、槽及倒角部位可以選擇適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。

劃分好的新能源白車架CAE模型如圖1所示，整個(gè)白車架模型離散為1052282個(gè)單元，1152870個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)白車架CAE模型的重量525kg，與白車架重量設(shè)計(jì)值差異小于5%，滿足建模要求。

1.3 載荷及邊界條件

對(duì)新能源白車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，一般以滿載狀態(tài)下計(jì)算車架在表1中工況下車架接附點(diǎn)受到的載荷作為加載條件，為了準(zhǔn)確獲取各個(gè)接附點(diǎn)的受力情況，首先根據(jù)車輛設(shè)計(jì)信息進(jìn)行整車多體動(dòng)力學(xué)建模，需要輸入準(zhǔn)確的懸架硬點(diǎn)以及各個(gè)彈性元件的剛度與阻尼參數(shù)，在Adams中對(duì)整車動(dòng)力學(xué)模型輸入各種工況下的加速度信號(hào)，根據(jù)需要設(shè)置輸出的載荷信號(hào)，然后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算提取出各個(gè)工況下主要接附點(diǎn)（前后懸架、減震器、副車架、懸置點(diǎn)等）的靜態(tài)載荷，此靜態(tài)載荷在有限元模型中可以直接施加在車身接附點(diǎn)相應(yīng)位置，約束輪心位置自由度，計(jì)算白車架整體受力情況。

在不考慮環(huán)境溫度及非線性影響的線性靜態(tài)計(jì)算中，可只輸入E、NU、RHO參數(shù)，其余可忽略。不同的求解器應(yīng)根據(jù)實(shí)際計(jì)算的需求定義相應(yīng)的材料參數(shù)卡片，白車架模型中常見(jiàn)的材料參數(shù)如表2。

按照實(shí)際新能源白車身模型中材料及厚度信息分別賦予相應(yīng)的材料屬性，為了快速建模，可以使用hypermesh中二次開(kāi)發(fā)TCL語(yǔ)言進(jìn)行編譯，可以快速進(jìn)行批量化建模，極大的節(jié)省了建模時(shí)間。

1.4 模型檢查

對(duì)于整車級(jí)別的建模及求解運(yùn)算，模型檢查在有限元計(jì)算中非常重要，在進(jìn)行完上述一系列操作之后需要對(duì)有限元模型進(jìn)行模型檢查，一般地，在有限元前處理軟件都有對(duì)應(yīng)的模型檢查模塊，可以直接運(yùn)行并根據(jù)提示的警告或錯(cuò)誤信息進(jìn)行模型修正，提示沒(méi)有任何警告或者錯(cuò)誤信息就可以直接提交進(jìn)行計(jì)算。

2 ?白車架模態(tài)分析

汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中，對(duì)新能源白車架進(jìn)行模態(tài)分析的意義是在設(shè)計(jì)中盡量避免白車架與動(dòng)力總成或其他零部件產(chǎn)生共振和噪聲，同時(shí)也可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)車架剛度，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和安全性，計(jì)算方法與結(jié)果也可以為實(shí)車試驗(yàn)提供參考和依據(jù)。

白車架模態(tài)分析為自由模態(tài)分析，即模型不加任何形式的約束。分析的頻率范圍設(shè)定為1-100Hz，下限設(shè)為1Hz，其目的是避免計(jì)算前6階的剛體模態(tài)，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

通常我們使用Hyperworks軟件的optistruct求解器進(jìn)行求解，算法選用蘭索士法（對(duì)應(yīng)卡片為EIGRL），計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，白車架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)49.8Hz，一階彎曲模態(tài)59.1Hz，白車架的一階彎扭模態(tài)頻率要避開(kāi)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)二階激勵(lì)頻率3Hz以上，一階彎曲模態(tài)頻率和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率之間也要有3Hz以上的分離，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 ?白車架強(qiáng)度分析

按照1.3節(jié)中邊界條件進(jìn)行白車架強(qiáng)度分析，根據(jù)車輛實(shí)際行駛工況，采用VPG技術(shù)手段在動(dòng)力學(xué)軟件Adams中建立整車模型，路面采用試驗(yàn)場(chǎng)掃描的數(shù)字路面，輪胎采用實(shí)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行模擬，通過(guò)載荷分解得到白車架接附點(diǎn)處邊界載荷，施加在相應(yīng)位置，進(jìn)行各工況下車架靜力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4-圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，起步工況、制動(dòng)工況及轉(zhuǎn)向下整車應(yīng)力水平相對(duì)較小，最大應(yīng)力分別為221.1MPa、225.9MPa、195.4MPa，應(yīng)力最大位置發(fā)生在車架與懸架接附點(diǎn)支架處，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況最大應(yīng)力為239.8MPa，最大位置發(fā)生在減震塔支座上，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

垂向沖擊（過(guò)坑）工況主要模擬車輛在經(jīng)過(guò)有坑路段時(shí)的垂向沖擊，此工況是在車輛滿載狀態(tài)下施加Z向3g加速度，較為嚴(yán)苛，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最大應(yīng)力258.9MPa，發(fā)生在副車架接頭部位，雖然應(yīng)力較大，但仍然小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，起步、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向工況下應(yīng)力水平較小，因?yàn)檐囕v運(yùn)行過(guò)程中這幾種工況是最常使用的工況，載荷水平也相對(duì)較小，想象一下，如果車輛在起步或轉(zhuǎn)彎工況就發(fā)生較嚴(yán)重的問(wèn)題是顯然不能接受的。

轉(zhuǎn)彎制動(dòng)和垂向沖擊工況應(yīng)力水平相對(duì)較高，這也和車輛受到的載荷水平有關(guān)，垂向沖擊時(shí)車輛受到的載荷能達(dá)到3g加速度以上，轉(zhuǎn)彎制動(dòng)類似漂移，受到的載荷也比較大，相應(yīng)的應(yīng)力水平較高。

4 ?結(jié)論

車架強(qiáng)度是汽車設(shè)計(jì)的重中之重，同時(shí)車架模態(tài)與整車NVH息息相關(guān)，本文借助有限元技術(shù)對(duì)新能源白車架進(jìn)行自由模態(tài)和強(qiáng)度分析，主要得到以下結(jié)論：

①通過(guò)車架自由模態(tài)分析，得知車架一階彎扭模態(tài)相對(duì)合理，能夠避開(kāi)電動(dòng)機(jī)激勵(lì)，并且避免了彎扭模態(tài)耦合，動(dòng)態(tài)特性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

②利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立整車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)典型工況進(jìn)行模擬，通過(guò)載荷分解輸出各工況下接附點(diǎn)邊界載荷;并采用慣性釋放的方法對(duì)白車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明該新能源車架結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較高，滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的優(yōu)化空間。

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