某重型汽車前軸工字梁輕量化設(shè)計(jì)

摘 要：前軸工字梁是汽車中重要零部件，在確保車輛可靠性保持不變的情況下，對(duì)前軸工字梁的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)以減輕車輛質(zhì)量非常重要。使用UG對(duì)前軸工字梁進(jìn)行3D建模，根據(jù)前軸工字梁在汽車實(shí)際運(yùn)行中的特定工作條件及實(shí)際工況下進(jìn)行力特性理論計(jì)算，使用Hyper Mesh軟件分析前軸工字梁在最大垂向力、最大扭轉(zhuǎn)工作和緊急制動(dòng)條件下的流體動(dòng)力學(xué)特性，以及在這三種不同工作條件下的前軸工字梁的流體動(dòng)力學(xué)特性得到應(yīng)力云圖和位移云圖。在滿足前軸工字鋼的強(qiáng)度和剛度的前提下，使用Hyper Mesh的Shape Optimization模塊優(yōu)化前軸工字梁結(jié)構(gòu)及進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，以驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，從而降低前軸工字鋼的質(zhì)量，降低成本，提高整車性能。

關(guān)鍵詞：輕量化 靜力學(xué)分析 模態(tài)分析

為了確保汽車在行駛中的安全性和可靠性，某重型汽車前軸工字梁的設(shè)計(jì)過(guò)程必須滿足應(yīng)力和應(yīng)變要求，同時(shí)還要確保在汽車正常行駛過(guò)程中，前軸工字梁不會(huì)因局部集中應(yīng)力而發(fā)生塑性變形甚至破裂。前軸工字梁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，特定行駛過(guò)程的工作條件也有所不同。以前的設(shè)計(jì)方法不能滿足準(zhǔn)確計(jì)算某重型汽車前軸工字梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布的要求。本設(shè)計(jì)使用先進(jìn)的CAE分析技術(shù)，可以在各種工作條件下分析某重型汽車前橋工字梁的重量，而某重型汽車前橋工字梁的結(jié)構(gòu)通過(guò)分析可以獲得更準(zhǔn)確的分析結(jié)果及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了將更輕的重量方案更有效地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[1]。減輕體重并不是盲目地減重。對(duì)于某重型汽車前橋工字梁，減輕重量是基于以下事實(shí)：某重型汽車前橋工字梁的強(qiáng)度和剛度特性未受影響，壓力顯著降低。從降低汽車質(zhì)量的角度出發(fā)，本論文著重分析了幾種實(shí)際不同條件下的某重型汽車前軸工字梁力[2]。有幾種不同的工作條件，例如最大垂向力，最大扭轉(zhuǎn)力，緊急制動(dòng)條件等。最大垂向條件是汽車在滿載情況下高速通過(guò)不均勻道路時(shí)施加到車軸上的力。而汽車緊急制動(dòng)工況是指汽車在承受最大載荷的條件下緊急制動(dòng)時(shí)車橋的受力情況。在這種情況下，某重型汽車前橋工字梁可以改變結(jié)構(gòu)而無(wú)需改變軸承強(qiáng)度，然后對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行有限元建模，包括建立幾何模型、限制選擇單元和網(wǎng)格劃分。某重型汽車前軸工字梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從工字梁結(jié)構(gòu)中考慮[3]。在省略一些卸載的零件或從零件本身簡(jiǎn)化或簡(jiǎn)化不同零件的接頭后，優(yōu)化了某重型汽車前軸工字梁，而不會(huì)影響整體分析結(jié)果。比較靜態(tài)和模態(tài)分析，然后確定是否滿足要求，最后獲得最佳的輕量化方法。本文將研究某重型汽車前軸工字梁，在靜態(tài)分析和模態(tài)分析下以保持重量、成本和性能之間的平衡，并滿足某重型汽車前軸工字梁的強(qiáng)度。假定剛度，可以將有限元方法應(yīng)用于某重型汽車前軸工字梁的結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計(jì)，而不會(huì)降低汽車的性能，去除一些多余的強(qiáng)度和剛度。最大限度地利用材料。同時(shí)，它有助于改善整車質(zhì)量及車輛性能，降低成本、降低能耗，減少污染物排放至關(guān)重要。

1 實(shí)施方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)展及汽車輕量化現(xiàn)狀進(jìn)行研究，對(duì)某重型汽車前軸工字梁的輕量化的設(shè)計(jì)，不僅能提升整車性能，而且能降低車輛成本，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展都有著十分重要的意義。某重型汽車前軸工字梁只需要在改進(jìn)的地方進(jìn)行靜力學(xué)分析及模態(tài)分析，再結(jié)構(gòu)優(yōu)化，就能滿足汽車使用要求。具體實(shí)施方案為：

（1）對(duì)重型汽車前軸的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，計(jì)算其在不同工況下的受力情況；

（2）使用UG對(duì)某重型汽車前軸工字梁建立三維模型，為建立其有限元模型做好準(zhǔn)備工作；

（3）在Hyper Mesh軟件中，定義單元類型并賦予模型材料屬性，再進(jìn)行網(wǎng)格的劃分并建立某重型汽車前軸工字梁的有限元模型；

（4）運(yùn)用Hyper Mesh軟件，對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行靜力學(xué)分析；

（5）運(yùn)用Hyper Mesh軟件對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行模態(tài)分析；

（6）運(yùn)用Hyper Mesh優(yōu)化模塊對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化目標(biāo)；

（7）完成后對(duì)已優(yōu)化的某重型汽車前軸工字梁模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證所得結(jié)果能否滿足某重型汽車前軸工字梁所需的要求。

2 實(shí)施

前軸受力的理論分析為車軸上的驅(qū)動(dòng)力更加復(fù)雜。所接收的力不僅是垂直力，而且是扭轉(zhuǎn)力和切向力。在實(shí)際駕駛過(guò)程中對(duì)于受力，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 513-1999，車軸在行駛中的受力確定以下三種典型條件。

（1）最大垂向力條件：車輛在滿載情況下高速通過(guò)不均勻道路時(shí)施加到車軸上的力；

（2）最大扭轉(zhuǎn)力條件：在滿載情況下，前軸在y軸方向上受到的兩個(gè)對(duì)向力；

（3）緊急制動(dòng)狀態(tài)：車輛在滿負(fù)荷情況下緊急制動(dòng)時(shí)施加在車軸上的力；

如果在上述某些條件下可以滿足車軸強(qiáng)度要求，則意味著在不同的工作條件下行駛時(shí)，車軸都可以滿足基本要求。

某重型汽車前軸工字梁的靜力學(xué)分析具體步驟如下：

（1）前軸工字梁幾何模型的建立。

（2）前軸工字梁有限元模型的建立及網(wǎng)格的劃分。

（3）前軸工字梁的強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）前軸工字梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算及評(píng)價(jià)：對(duì)前軸工字梁受最大垂向力、最大扭轉(zhuǎn)力及緊急制動(dòng)時(shí)進(jìn)行仿真分析。

某重型汽車前軸工字梁的模態(tài)分析：

汽車車輛行駛的過(guò)程中，路面激振對(duì)汽車的振動(dòng)系統(tǒng)影響的頻率應(yīng)處于0HZ到50HZ之間，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)某重型汽車前軸工字梁的自由模態(tài)分析，了解該前軸工字梁的動(dòng)力特性。在確定工字梁的實(shí)際安裝使用后，對(duì)前軸工字梁的約束模態(tài)分析可以更真實(shí)地反映前軸工字鋼的實(shí)際情況?？梢院?jiǎn)化約束某重型汽車前軸工字梁實(shí)際狀態(tài)的條件，以將前軸上的兩個(gè)主銷孔和板簧中的中心孔固定。使用上面的某重型汽車前軸工字梁幾何模型的約束模式分析，在該狀態(tài)下，由于第一四階工字梁處于剛體狀態(tài)，所以主要分析第五至第十模態(tài)，模態(tài)振型圖如下：

從以上幾圖容易看到，在對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行約束模態(tài)分析后，其固有頻率最低值為124.00HZ，不在0-50HZ的頻率范圍之內(nèi)，可知某重型汽車前軸工字梁在正常行駛過(guò)程中不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，說(shuō)明該某重型汽車前軸工字梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是符合要求的。

3 應(yīng)用效果

某重型汽車前軸工字梁的輕量化設(shè)計(jì)，是在不影響該車輛前軸工字梁的強(qiáng)度和剛度情況下通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減輕重量。本文通過(guò)使用Hyper Mesh軟件對(duì)某重型汽車前軸工模型進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到將某重型汽車前軸工字梁輕量化的目的。而且經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，確保該模型必須滿足相關(guān)要求。

在目前的車輛優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有兩種主要方法。一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改變所用材料的結(jié)構(gòu)形狀及通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件仿真分析來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化是否滿足要求，以降低汽車質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二是改變結(jié)構(gòu)件所用材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用第一種方法，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真分析來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否滿足要求。

在對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行力學(xué)測(cè)算時(shí)，測(cè)量其橫截面各項(xiàng)數(shù)據(jù)，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2及表2所示。

綜上所述，通過(guò)結(jié)構(gòu)對(duì)比以及相應(yīng)的基本力學(xué)測(cè)算，此優(yōu)化方案為某重型汽車工字梁最佳截面優(yōu)化設(shè)計(jì)。所以對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析。

在對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算出該車前軸工字梁從７至12階的模態(tài)振型圖，再分析該重型汽車前軸工字梁在優(yōu)化后能否滿足車輛行駛所需要求，經(jīng)自由模態(tài)分析后的模態(tài)振型圖如下所示：

（1）優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁的自由模態(tài)分析；

綜合以上分析結(jié)果可以得知，某重型汽車前軸工字梁經(jīng)優(yōu)化后的自由模態(tài)固有頻率最低值為125.25HZ，其工字梁自由模態(tài)固有頻率仍不在0-50HZ區(qū)間內(nèi)，該工字梁不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，因此該工字梁的優(yōu)化合理的。

（2）某重型汽車前軸工字梁優(yōu)化后的約束模態(tài)分析；

綜合以上分析結(jié)果可以看出，進(jìn)行優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁的約束模態(tài)固有頻率最低值為57.45HZ，優(yōu)化后約束模態(tài)固有頻率仍不在0-50HZ區(qū)間之內(nèi)，故工字梁不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，所進(jìn)行的優(yōu)化是合理的。

4 結(jié)論

（1）某重型汽車前軸工字梁在最大垂直力，最大扭矩和緊急制動(dòng)條件下的理論計(jì)算和分析。在這些情況下，前軸的最大應(yīng)力值都未超過(guò)42CrMo對(duì)象的屈服極限。

（2）分別對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行了自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，獲得了在不同條件下某重型汽車前軸工字梁的振動(dòng)特性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，前軸的最小固有頻率為124HZ，不在0-50HZ范圍內(nèi)。得知該重型汽車前軸工字梁不會(huì)由于地面激勵(lì)而有共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）使用Hyper Mesh對(duì)某重型汽車前軸工字梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果分析改善了前軸的結(jié)構(gòu)并降低了前軸的質(zhì)量。接下來(lái)，分析了優(yōu)化后的某重型前軸工字梁的自由和約束模態(tài)。通過(guò)比較分析之前的工字梁，優(yōu)化后的某重型前軸工字梁可以滿足各種性能要求。這意味著優(yōu)化后某重型汽車前軸工字梁是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求的。

基金項(xiàng)目：柳州工學(xué)院課程思政示范課“汽車檢測(cè)與維修”（2022KCSZ009）研究成果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]侯占峰.汽車構(gòu)造[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.

[3]韋煥典.現(xiàn)代汽車配件基礎(chǔ)知識(shí)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.