某型純電動汽車前縱梁結構優(yōu)化分析

楊振波

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

隨著環(huán)境壓力的日益凸顯，人工智能和自動駕駛的助推，新能源汽車得到長足發(fā)展。純電動汽車作為新能源汽車的代表，已被公認為21世紀汽車工業(yè)改革和發(fā)展的主要方向。其動力總成由電機替換內燃機后，噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）問題依然很突出，因此，合理設計動力與車身連接的懸置系統(tǒng)可以明顯降低振動和噪聲，改善乘坐舒適性。但是，工程師在設計過程中往往強調懸置隔震性能，而忽略本體及車身連接點強度。

針對某型純電動汽車懸置二級隔震在耐久試驗中出現(xiàn)的批次前縱梁懸置安裝點開裂失效問題，進行了分析和優(yōu)化；樣件制造后，設計并實施了臺架耐久對比試驗，進行快速方案驗證，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)風險。

1 問題描述

在整車綜合耐久試驗進行到30%～50%時，硬模階段試驗車在左、右前縱梁與懸置安裝點小襯套內芯接觸區(qū)域附近出現(xiàn)縱向裂紋，如圖1所示，發(fā)生開裂處車身結構如圖2所示。該處僅懸置小襯套內芯套筒與縱梁接觸，套筒通過螺栓固定。為此需要采用鉚接方式固定襯板，在襯板上布置壓鉚螺母。

2 失效分析

2.1 結構分析

為了解決電機噪聲問題，在懸置與前縱梁安裝螺栓位置增加二級隔震小襯套。因增加二級隔震小襯套，懸置本體與縱梁上表面分離，僅小襯套鋼制內芯在螺栓孔附近接觸，且環(huán)狀區(qū)域寬度僅3 mm。

此區(qū)域受到螺栓預緊力和外力雙重作用，極易發(fā)生應力集中，存在開裂失效風險。

2.2 仿真分析

1.工況確定及載荷分解

針對懸置的強度分析，從常用標準工況中選取幾個典型工況進行分析。上述包括自重、前進最大扭矩、倒檔最大扭矩、8 km/h前/后碰撞工況、垂直向上/下極限載荷（5，為重力加速度）等，以及若干復合工況。在ADAMS中建立此動力總成的剛度動力學模型，如圖3所示，進行載荷分解，獲得襯套中心點處三個方向力如表1、表2所示。本次分析重點考察左側縱梁，分解獲得相應載荷，對比提取每個受力方向最大值，計算評價結構強度性能。

2.材料屬性及分析模型

各部件材料牌號及強度性能如表3所示，同時結果中可能會出現(xiàn)超過材料屈服的情況，為此在計算軟件ABAQUS中輸入真實應力應變曲線。

采用solid單元，建立包含左側懸置、左前縱梁、螺栓、壓鉚螺母和小襯套內芯在內的有限元模型，如圖4所示。上述部件按照實際接觸面和緊固方式定義連接關系，并引入螺栓預緊力。因重點關注縱梁懸置安裝點應力（或應變），根據(jù)圣維南原理，截取懸置前、后一定距離縱梁，對其截面進行全約束。

3.仿真結果

由圖5可知，既定工況下，縱梁上表面已發(fā)生2.9%的塑性變形，且應變區(qū)域與實際開裂位置吻合。

2.3 載荷偽損失對比

由表1可知，向外載荷是引起結構失效的主要因素。為了進一步證明，在試驗車上搭載三分力傳感器，如圖6所示，采集懸置三向力歷程，并進行分析。

綜合耐久試驗場包括比利時路、鵝卵石路、短波路、高環(huán)變速工況等30多種路面。對采集數(shù)據(jù)進行偽損傷分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)高速全油門加速工況載荷偽損傷最大。進一步分析工況，向損傷高出其他方向1個數(shù)量級如表4、圖8—圖10所示，說明縱梁耐久裂紋開裂主要由此方向力引起。

2.4 小結

為解決電機NVH問題，增加二級小襯套隔震后，局部接觸面積發(fā)生變化，造成應力集中。在綜合耐久試驗中，在向（主因）和向載荷下，縱梁懸置安裝點表面出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 優(yōu)化方案及分析

由前文分析，擬通過增加墊片的方法，增大接觸面積，但無法達到之前軟模車狀態(tài)。為此，嘗試局部優(yōu)化，提高結構強度，解決現(xiàn)有問題。

3.1 優(yōu)化方案制定

1.拓撲優(yōu)化

為了在較短時間內尋找一種快速有效的具體優(yōu)化方案，根據(jù)模型特點，同時考慮盡量在原結構上進行修改的可能性，對零部件進行優(yōu)化設計勢在必行?；趩卧芏确ǖ倪B續(xù)體結構拓撲優(yōu)化技術在實踐中得到應用，該方法將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度”作為設計變量，與材料彈性模量之間具有某種函數(shù)關系，在0～1間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度接近1則表示該處材料很重要，則需保留；若單元密度為0（或接近0），表明該處的材料不重要，可以去除，從而達到材料高利用率，實現(xiàn)輕量化的目的。該優(yōu)化問題可歸結如下：

（1）目標最小化()；

（2）約束()-≤0；

（3）設計變量α<α<α。

目標函數(shù)和約束函數(shù)從有限元分析中獲得的結構響應，設計變量的向量要根據(jù)優(yōu)化的類型進行選擇。

根據(jù)上述要求，建立前縱梁懸置安裝點局部拓撲優(yōu)化模型，對其定義如下：

（1）響應：考慮最小更改原則，縱梁截面不變，僅對螺母板進行優(yōu)化，設定響應體積區(qū)域如圖11所示；

（2）設計目標：總體積響應最??；

（3）約束：重量不超過60%；

（4）單元類型為一階四面體單元，可供優(yōu)化的節(jié)點數(shù)為20 150，單元數(shù)位為12 334。螺栓與優(yōu)化區(qū)域之間，優(yōu)化區(qū)域與縱梁之間使用剛性單元（RBE2）連接，以模擬懸置及縱梁安裝的真實位置；在優(yōu)化中一級襯套中心點，僅施加向單位載荷，其他方向力被忽略。經(jīng)過多次計算迭代，最后計算結果如圖11所示，在優(yōu)化區(qū)域與縱梁貼合面及螺栓端面對應面區(qū)域，單元密度值較大，材料利用率較高。

2.優(yōu)化方案

根據(jù)拓撲優(yōu)化結果，并考慮工藝、成本、制造和輕量化等，最終確定采用圖12鋁擠壓件（材料為AL6082）代替原來螺母板，不但提高接觸面積，而且將力分散至縱梁側面，提高了材料利用率和局部安裝點強度。實際裝配中擠壓件上設計攻絲孔和懸置連接，通過與縱梁上面、側面和下面鉚接，實現(xiàn)本身的固定，也有利于裝配制造。

3.仿真驗證

按照2.2節(jié)約束和邊界條件，對優(yōu)化結構進行仿真驗證。通過圖13可知，前縱梁應力降低明顯，已小于材料屈服極限，滿足強度性能要求；鋁擠壓件雖然受力較大，結構應力達到261.6 MPa（圖14），但依然小于AL6082材料屈服極限286 MPa。綜上，優(yōu)化方案滿足既定工況的強度性能要求。

4 臺架試驗策劃及實施

上節(jié)中涉及的優(yōu)化方案已滿足強度要求，擬通過子系統(tǒng)臺架耐久對比試驗，進一步驗證結構的耐久性能，保證整車路試一次通過，進而縮短開發(fā)周期。因原結構路試壽命已知，優(yōu)化結構壽命到達或超過5倍，即可認為滿足路試要求。

4.1 臺架試驗策劃

由表4偽損傷計算結果可知，向載荷對結構損傷壽命貢獻最大，其他方向的損傷少一個數(shù)量級。因而結構的臺架試驗可將三向載荷輸入簡化為單向載荷，可簡化試驗，節(jié)約時間成本，但又可達到壽命對比的目的。實施方案如圖15所示。

4.2 試驗結果

共對5個試驗樣件進行試驗，其中1號、2號、3號為原始狀態(tài)的耐久試驗，4號、5號為新狀態(tài)加墊片的耐久試驗。試驗完成后，相關的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

試驗過程中，首先嘗試階次增加載荷，獲得原始狀態(tài)縱梁懸置安裝點出現(xiàn)裂紋時的壽命，連續(xù)做三件次。試驗后零件狀態(tài)如圖16所示，裂紋出現(xiàn)位置與擴展方向與路試失效狀態(tài)一致，說明該臺架試驗設計較合理。優(yōu)化狀態(tài)試驗在載荷較大的情況下，總次數(shù)超過原始狀態(tài)5倍以上未出現(xiàn)可見裂紋，如圖17所示，說明部件滿足耐久性能要求。后期已將優(yōu)化方案搭載于整車耐久路試中，規(guī)定循環(huán)次數(shù)完成后拆解，未出現(xiàn)失效，上述問題得到解決。

5 總結

本文介紹了某型純電動汽車前縱梁結構優(yōu)化分析過程，設計了一種代替原螺母板的鋁擠壓件結構。通過設變前后對比、采集載荷數(shù)據(jù)偽損傷分析和結構強度仿真等工作，找到懸置安裝點失效原因；開展優(yōu)化設計，提高了結構強度和耐久性，并開展臺架試驗，進行壽命對比，快速驗證了方案有效性。最終，解決了工程問題，減少了試驗場路試次數(shù)，縮短整車開發(fā)周期并降低了成本。