某商用車擋泥板結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計

任文濤，薛 藝，李 靜，譚 偉，高維升

（陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

國外相關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示，車輛減輕自身重量10%，可降低油耗6%～8%。尤其對于商用車而言，因商用車具有機動性強、經(jīng)濟性低和利用率高等特點，通過減輕自身重量的同時還提升了有效載貨重量，從而提升運輸效率，降低運輸成本。另根據(jù)新修訂的《環(huán)境保護法》和新出臺的減少機動車排放的措施，商用車輕量化設(shè)計已成為通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑，也成為商用車后期發(fā)展的一個重要方向[1]。

伴隨著商用車行業(yè)的高速發(fā)展，有限元分析手段已在機械行業(yè)，特別是汽車行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前各大汽車主機廠通常選用的鑄鋼作為支架用材，但這明顯不利于商用車的輕量化的發(fā)展理念。本文以某商用車為例，利用CATIA軟件對商用車擋泥板支架進行了輕量化設(shè)計，并運用HyperMesh有限元分析軟件建立擋泥板結(jié)構(gòu)件有限元模型對擋泥板在商用車上的實際工況進行模擬，對不同材質(zhì)、不同截面厚度以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的擋泥板結(jié)構(gòu)件進行強度仿真分析，最終完成擋泥板的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析驗證，為后期實際應(yīng)用提供了實例參考。

1 擋泥板結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計

1.1 擋泥板的構(gòu)成及功能

擋泥板焊合件總成主要由一件左支架、一件加強板和一件底座組焊而成，如圖1所示。通過4件螺栓及自鎖螺母安裝在車架縱梁的外側(cè)面上，主要起固定彈性元件（通常為橡膠）的作用[2]。擋泥板支架的主要功能是連接汽車車架與擋泥板相互連接的裝置，同時也作為支撐空濾器、汽車尾燈的重要部件[3]。擋泥板作為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在汽車構(gòu)造中起到連接和支撐的作用。

圖1 擋泥板結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型的建立及前處理

將建立的三維模型導(dǎo)入到HyperMesh中進行前處理，為了確保對擋泥板支架進行準確的應(yīng)力分析，在網(wǎng)格劃分時在受力變化不大的位置選擇較大的網(wǎng)格，應(yīng)力集中的位置選擇的四面體相對密集一些[4]。所采用的材料密度ρ為7.85×10-9T/mm3，楊氏彈性模量E為2.1×105MPa，泊松比μ為0.3。建立左支架、加強板和底板的有限元模型，并通過添加約束將擋泥板支架和車身縱梁進行固定連接[5]。優(yōu)化前模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前模型材料參數(shù)

擋泥板的結(jié)構(gòu)件通過焊接連接在一起，通過實體模型建立網(wǎng)格模型，網(wǎng)格劃分后，模型單元數(shù)量為449 886個，節(jié)點數(shù)為118 894，擋泥板有限元模型質(zhì)量為18.82 kg。在網(wǎng)格質(zhì)量中最大翹曲度為0，最大長寬比為3.51，雅克比為1。優(yōu)化后模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后模型材料參數(shù)

1.3 邊界條件及載荷

商用車擋泥板支架主要包含以下兩個方面的載荷。

1.擋泥板支架自身重量

在有限元分析軟件中，零件的材料、密度以及重力加速度確定以后，便可以計算出擋泥板各組成部分的相關(guān)質(zhì)量參數(shù)，并模擬計算出擋泥板支架的受力情況和變形情況。

2.振動工況

用于模擬車輛在空載狀態(tài)下，車輛行駛過程中做非勻速直線運動時所受到的振動和沖擊。由于擋泥板固定在車架上，因此，必須增加車輛行駛過程的工況，沖擊系數(shù)按照3g進行仿真分析[6]。

圖2 工況一的邊界條件

圖3 工況二的邊界條件

擋泥板是被固定在商用車車架上，僅受到擋泥板本身重量和外載荷的作用。因此，模擬商用車擋泥板實際工作狀況，選擇工況分為垂直工況（工況一）和加速工況（工況二）兩種，具體參數(shù)如圖2、圖3所示。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 強度結(jié)果分析

圖4為擋泥板支架載荷加載情況。圖4(a)、圖4(b)分別為工況一條件下優(yōu)化前后擋泥板的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，擋泥板在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前應(yīng)力主要集中在左支架的倒角處，對應(yīng)的應(yīng)力值為220 MPa，針對應(yīng)力集中問題，優(yōu)化后方案已完成，二者安全系數(shù)分別為1.613、1.838，新材料安全系數(shù)相較于舊材料提升了0.225。

圖4 工況一應(yīng)力云圖

圖5(a)、圖5(b)分別為工況二條件下優(yōu)化前后擋泥板的應(yīng)力云圖。優(yōu)化前應(yīng)力主要集中在左支架的倒角處，應(yīng)力值為70.6 MPa。優(yōu)化后應(yīng)力集中在左支架的倒角處，應(yīng)力值為104.3 MPa。二者均小于材料的屈服極限，符合設(shè)計要求。另外二者安全系數(shù)分別為5.02、3.49，對零件的應(yīng)力集中部分進行改善，同時在保證滿足零件強度的情況下對成本進行控制。

圖5 工況二應(yīng)力云圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包含對原有的Q355B材質(zhì)的支架結(jié)構(gòu)分析，并考慮其裝配要求，將底板材質(zhì)變更為700L，仍然通過4個螺栓與車架固定；另外將加強板由Q355B 5個厚更改為600L 4個厚，同時為保證強度將兩邊延長至左支架折彎處；對于左支架由Q355B 6個厚更改為600L 4個厚，同時對支架采用圓弧過渡，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中[7]。截止目前產(chǎn)品已完成小批量試制，且已完成50 000 km的路試，并將持續(xù)跟蹤。

3 結(jié)論

通過對商用車擋泥板結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計，并對該結(jié)構(gòu)件進行了強度仿真，效果較為理想。

（1）優(yōu)化前，擋泥板支架的應(yīng)力集中部位都出現(xiàn)在左支架倒角處，最小安全系數(shù)都大于1，滿足強度要求；

（2）底板、連接板和加強板分別使用700L和600L替換Q355B，材質(zhì)厚度也分別進行調(diào)整，通過云圖分析優(yōu)化后的垂直沖擊工況安全系數(shù)比優(yōu)化前較大，滿足強度要求；

（3）優(yōu)化前后，通過云圖發(fā)現(xiàn)原左支架出現(xiàn)薄弱位置，存在應(yīng)力集中的情況發(fā)生，及時通過對三維模型進行優(yōu)化設(shè)計處理，使得原薄弱位置得到強化。

（4）原始擋泥板的質(zhì)量為18.82 kg，優(yōu)化后的擋泥板重量為13.25 kg，在滿足強度和剛度且有效發(fā)揮作用的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)擋泥板總成減重5.57 kg，為零部件輕量化提供了參考依據(jù)。

通過對某商用車擋泥板的有限元分析以及結(jié)構(gòu)件材質(zhì)的替換和局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化使零件減重，發(fā)現(xiàn)擋泥板生產(chǎn)屈服變形處于極限范圍之內(nèi)，擋泥板結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計得以驗證，從而為商用車的輕量化研究提出有益參考。