新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 汽车副车架的轻量化开发

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发表于 2019-12-9 09:05:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘 要:文章介绍了一种前副车架的轻量化开发技术和流程,综合应用Optisruct、SFE、Isight等工具软件,分析和优化了模态、刚度、强度、耐久等性能并满足目标值。通过使用拓扑优化、尺寸优化、多目标优化、形状优化等技术,获得了较好的设计方案,实现了“优化驱动设计”的开发路径。结果表明,轻量化副车架比原钢制副车架减重23.3%,比铝制前副车架轻0.2kg,在不降低性能的情况下取得了显著的轻量化效果,该方法可为同类产品的有限元分析以及轻量化设计提供参考。
关键词:副车架;轻量化;优化;流程

1 前言

副车架的轻量化国内外已经进行了大量的研究。陈磊[1]等用拓扑进行了铝合金副车架的正向设计开发;廖抒华[2]等基于应力约束进行了尺寸优化;冯一鸣[3]等进行了基于NVH分析的尺寸优化;黄小征[4]等用拓扑和尺寸优化技术开展了某SUV的副车架优化;鲁宜文[5]等应用试验设计方法结合响应面和多目标遗传算法获得了副车架质量和第一阶模态频率的Pareto最优解;朱剑锋[6]等对后副车架结构进行了全自动参数化优化计算。

文章综合应用拓扑优化、尺寸优化、形状优化、SFE参数化、Isight集成优化等手段,得到轻量化的前副车架设计方案。


2 目标设定
2.1 重量目标

本副车架目的是替代铝制副车架,不降低性能的前提下实现降本。铝合金副车架重量为11.68kg,竞品车钢制副车架质量12.51kg,经过车型对比,开发重量目标设定为11.50kg。

2.2 NVH目标

(1)模态目标。根据NVH子系统目标分解和竞品模态分析,设定白车身加副车架状态下一阶模态不低于160Hz,自由状态模态不低于200Hz,刚性约束状态下模态不低于300Hz。

(2)刚度目标。前副车架各安装点动静刚度以竞品车为参考值并满足NVH子系统分解要求。

2.3 强度目标

前副车架承受发动机激励和路面冲击载荷,须满足一定的强度要求。文章选取4种比较恶劣的工况,评价标准为不超过材料的屈服强度。

2.4 耐久目标

在试验场采集实车道路谱载荷,经虚拟迭代、载荷分解得到载荷谱。文章中以损伤值为目标校核耐久性能,钣金损伤值目标为不超过0.25,焊缝损伤目标为小于1。


3 概念设计

3.1 设计空间包络

设计部门布置校核后提供一个设计空间,只需要一个大致的轮廓包络。前副车架设计空间包络如图1所示。

图1 前副车架设计空间包络
3.2 拓扑优化

划分设计空间包络的表面网格,然后在中间填充材料,经过优化得到填充物的密度分布,解读后转化为加强板概念设计方案。内部加强板拓扑优化过程如图2所示。

优化变量:内部填充材料的密度。

目标:优化变量的体积分数最小。

约束:刚性约束下模态一阶频率不低于300Hz。

设计变量里添加最小尺寸约束参数,优化控制卡片里添加棋盘格控制参数。


4 尺寸优化

优化变量:各主要钣金件的厚度。

图2 内部加强板拓扑优化过程

目标:质量最轻。

约束:刚性约束状态下一阶频率大于300Hz。

材料厚度设置为离散变量,在控制卡片里输出灵敏度。设计变量模态灵敏度如图3所示。

图3 设计变量模态灵敏度

考虑上板的安装点比较多,将上板设置调整为1.8mm,下板调整为1.6mm。优化后的厚度设计如表1所示,模型重量为11.4kg。

表1 设计变量优化前后尺寸对比

5 SFE隐式参数化

SFE concept软件(简称SFE)是达索(Dassault)旗下一款概念设计软件,可以快速实现参数化、模块化CAD建模和CAE前处理。在SFE软件中搭建了前副车架模型,并选取了4个地方的特征参数作为优化变量,在Isight中进行集成优化,如图4所示。


6 Isight多目标优化

6.1 Isight集成优化流程

Isight集成优化流程如图5所示。选取SFE模型中录制的优化变量,先确定优化设计目标及其约束;其次利用最优拉丁超立方法进行DOE(实验设计),得到实验样本点集;然后根据灵敏度分析筛选设计变量,建立设计变量与响应的近似模型;最后利用多目标优化算法进行求解。

图4 SFE参数模型及优化变量

图5 Isight集成优化流程

6.2 优化结果处理

优化变量:腰部截面X 向宽度、羊角轮廓线曲率、中部支架相对副车架前立面的位置。

目标:模型质量最轻。

约束:刚性约束状态下一阶频率大于300Hz;后悬置安装点的动静刚度满足参考值。优化前后模型调整如图6所示。


7 形状优化

优化变量:中间支架开孔变形的节点扰动。

目标:中间支架质量最轻。

约束:悬置安装支架Z向刚度满足参考值。支架开孔形状优化如图7所示。


8 细节设计

8.1 后悬置支架

悬置支架的动刚度是前副车架设计中的难点,经多轮改进,达到了目标值要求。后悬置支架改进如图8所示。

8.2 与车身后连接点

经过改进上下板连接方式,并增加两个加强筋,满足了强度性能要求。后连接点改进如图9所示。

图6 优化前后模型调整

图7 支架开孔形状优化

图8 后悬置支架改进


图9 后连接点改进

9 性能验证
9.1 模态验证

最终方案副车架在白车身上模态160Hz,满足了目标值,自由和约束模态均超过铝合金副车架和竞品副车架。模态分析结果对比如表2所示。

表2 模态分析结果对比

9.2 强度验证

强度工况应力结果对比如表3所示,副车架满足强度目标值并且在上下板加厚到2.0mm后,也满足七座版车型的强度要求。

表3 强度工况应力结果对比

9.3 耐久验证

(1)钣金疲劳分析。采用Ncode软件进行钣金的耐久分析,DesignLife的疲劳寿命分析流程如图10所示。

图10 基于E-N的DesignLife疲劳分析流程

(2)焊缝疲劳分析。焊缝疲劳分析采用节点应力法,采用4边形壳单元建模,其相应的建模规则依据Ncode参考手册。

(3)载荷谱。路谱载荷的获取流程如图11所示。

图11 路谱载荷获取流程

路面组合方法为基于雨流统计的等效损伤反算法(Back Calculation),文章采用的路面组合如表4所示。

表4 路面载荷谱dutycycle组合

9.4 刚度验证

整体表现优于竞品,各方向均满足目标值。副车架各连接点刚度值如表5所示。


10 数据冻结

经过供应商的工艺确认和各专业方向评审,副车架最终方案经过项目组验收后数据冻结。

11 试验验证

样件最终制作出来称重11.5kg,如图12所示,比原供应商提供的钢制副车架轻3.5kg,比铝制副车架轻0.2kg。经试验场3万km综合路况和6000km强化道路试验,无开裂问题产生。

12 结束语

文章介绍了一种钢制前副车架的开发过程,将多种优化方法应用到副车架的轻量化开发过程中,并证明了其对于指导结构设计十分有效。

表5 副车架各连接点刚度值(kN·mm-1)

图12 轻量化副车架实物

参考文献:

[1]陈磊,程稳正,孙珏,等.铝合金铸造副车架开发[J].汽车技术,2015(2):58-62.

[2]廖抒华,成传胜.基于ABAQUS和Optistruct的商务车副车架的优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2011(8):83-86.

[3]冯一鸣,沈继伟,朱茂桃.乘用车副车架NVH性能分析[J].时代汽车,2017(7):69-72.

[4]黄小征,王帅,李飞.基于Optistruct某SUV副车架的结构优化[J].汽车实用技术,2017(21):1-3.

[5]鲁宜文,王东方,缪小冬,等.响应面和多目标遗传算法结合的副车架优化[J].机械设计与制造,2018(4):1-4.

[6]朱剑锋,王水莹,林逸,等.后副车架拓扑优化概念设计和智能轻量化方法研究[J].汽车工程,2015,37(12):1471-1476.

[7]纪东兵.汽车副车架三维数字化模型构建及检测[D].长春:长春理工大学,2017.

[8]王锐,苏小平.汽车副车架强度模态分析及结构优化[J].机械设计与制造,2015(4):152-154.

[9]孙珏,许善新,汤杰,等.汽车铝合金副车架挤压铸造工艺设计和产品开发[J].铸造,2015,64(1):17-21.

[10]汤杰,王非凡,韩志强,等.汽车副车架挤压铸造凝固过程热-力耦合模拟[J].特种铸造及有色合金,2015,35(1):52-56.


来源:作者:徐子鸣,刘 书,徐作文(众泰汽车工程研究院,浙江 杭州 310018)





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