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[轻量化轻卡|重卡] 基于应力特征的商用车前桥轻量化研究

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发表于 2020-3-31 11:24:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于应力特征的商用车前桥轻量化研究
吕世银1,郑松林1,2
(1.200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院;2.200093 上海市 上海理工大学 机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室)
[摘要]以某型商用车前桥为研究对象,提出一种基于应力特征的轻量化研究方法。对前桥进行理论受力分析,从而确定有限元加载方式。建立前桥有限元模型,并对前桥典型工况进行静力学分析。结果表明,应力最大值低于材料屈服强度,因此存在轻量化空间;通过对前桥模态分析,证明了前桥动态特性的合理性。以前桥最大应力为约束进行拓扑优化,优化后模型在满足强度、刚度及模态要求下,减质3.4 kg,实现轻量化。
[关键词]前桥;应力特征;静力学分析;模态分析;拓扑优化
0 引言

汽车作为能源消耗及环境污染物排放的主要产品,其节能减排已经成为当下热点问题。轻量化成为汽车行业节能减排的重要途径[1]。当下,商用汽车作为常用物流运输工具之一,其安全性能和行驶平顺性能成为人们关注话题。前桥是汽车众多大质量部件之一,降低其质量对整车有着重大的意义[2]。同时,前桥作为底盘上的重要部件,其工作环境复杂,容易损坏,甚至会出现断裂。因此,在保证前桥基本性能的基础上,实现前桥轻量化成为当下研究的重点问题。

1 前桥理论受力分析

前桥是连接车身与悬架的重要承重部件,承受悬架传来的垂直载荷,同时承受车轮传来的作用力以及产生的力矩,并不容易得到车桥在实际行驶过程中的实际受力情况[3]。在此可把车桥受力状态简化为4 种基本工况[4]:(1)最大垂直载荷工况:当商用车在满载的情况下以较高速度通过不平整路面时,商用车前桥就处于最大垂直载荷工况之中。(2)最大侧向载荷工况:商用车在满载时以较高速度的情况下突然改变前进方向,整车会受到一个较大的侧向力,汽车容易产生侧滑现象。前桥主要承受垂向载荷和侧向载荷共同作用。(3)紧急制动工况:汽车满载条件下进行紧急制动时,车桥所受到的力的情况。制动工况主要承受垂向载荷和纵向载荷作用。(4)疲劳试验工况:商用车前桥在台架上进行疲劳试验,前桥承受最大3.5 倍的前桥静满载荷。

2 前桥静力学分析2.1 有限元模型建立

根据商用车前桥基本参数,利用三维软件对前桥进行三维模型建立。图1 为前桥三维数模。根据前桥的结构特点,网格划分时采用四面体实体单元,并且控制网格单元尺寸在2~10 mm,保证结构与网格的契合度以提升网格质量。在应力较大或者易产生应力集中的部位应该采用小尺寸网格,非关键区域的网格尺寸可以稍大些。网格划分后,单元个数为488 610,单元节点数为115 371。为了尽可能显示前桥的真实情况,其中主销和主销孔、板簧和板簧座之间采用1D 单元连接。

前桥材料为40Cr,其主要参数如表1 所示。

图1 前桥几何模型
Fig.1 Front axle geometry model

表1 材料属性
Tab.1 Material properties

前桥有限元模型如图2 所示。前桥所处工况不同,其加载方式也不相同。(1)最大垂直载荷工况约束两端销孔Y,Z 向平动自由度及X 向转动自由度;(2)最大侧向力工况和紧急制动工况两端板簧座约束所有自由度。(3)疲劳试验工况约束两端销孔Y,Z 向平动自由度及X 向转动自由度。

图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model

2.2 静力学结果分析

在前桥理论受力分析以及有限元模型建立的基础上,对前桥4 种典型工况进行静力学分析,得到的静力学分析结果如图3 所示。

图3 前桥静力学分析结果
Fig.3 Static analysis of front axle
(a)最大垂直载荷工况位移(b)最大垂直载荷工况应力(c)最大侧向载荷工况位移(d)最大侧向载荷工况应力(e)紧急制动工况位移(f)紧急制动工况应力(g)疲劳试验工况位移(h)疲劳试验工况应力

基于静力学分析结果,如表2 所示。发现前桥在疲劳试验工况下位移和应力最大,即危险工况,此时前桥最大应力为433 MPa,出现在前桥中部工字梁上翼面区域,低于材料屈服强度;最大位移为8.8 mm,出现在前桥中部区域。后续将重点考虑疲劳试验工况,尤其在轻量化设计时,必须重点关注这些薄弱结构。

表2 载荷工况结果
Tab.2 Load condition results

3 前桥模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种常用方法[5],可以用来评价结构的振动性能。对前桥进行模态分析,得到其固有频率以及振动形态。在对其进行轻量化设计前,进行前桥模态分析可以提前避免与其他部件产生共振,为前桥的合理改进提供理论依据。

前桥模态分为自由模态和约束模态。由于前桥在约束模态下自由度减少,刚度得到提高,因而前桥约束模态频率高于自由模态固有频率。为此,对前桥不加载的情况下,也就是对前桥进行自由模态分析,求解前桥的前10 阶模态。通过分析发现,前6 阶的模态频率非常低,与零非常相近,这是因为前6 阶为刚体模态,在分析中不考虑。因此,选取从前桥第7 阶模态开始的前4阶固有频率与振型进行分析。提取前桥前4 阶模态如图4 所示。


图4 前桥模态振型
Fig.4 Modal mode shapes of front axles
(a)1 阶模态振型(b)2 阶模态振型(c)3 阶模态振型(d)4 阶模态振型

通过对前桥前4 阶模态分析,1 阶模态频率为94.87 Hz,此时前桥绕中心位置前后弯曲,2阶模态频率为164.69 Hz,前桥绕着轴心发生扭转,3 阶模态频率为240.08 Hz,前桥上下振动,4 阶模态频率为319.87 Hz,前桥出现扭转。从云图中发现,前桥最低模态频率为94.87 Hz。而一般汽车在路面上受的激励可能会达到50 Hz[6],所以前桥不会与路面发生共振。

4 前桥轻量化设计4.1 拓扑优化

当前拓扑优化中常用方法有均匀化方法、变厚度法、拓扑函数描述方法以及变密度方法。其中,变密度法在当前工程应用中最为广泛。变密度法将有限元模型空间中的单元密度作为设计变量,它主要是引入假象密度值在0~1 之间变密度材料,密度值为0,表示此处材料可删除,密度值为1,表示此处材料很重要,需要保留。最终拓扑优化其实就是寻找材料最佳分布的问题[7]。

本文确定前桥单元密度为设计变量,以前桥最大应力作为约束条件,前桥质量最小为目标函数,最终优化数学模型如下:


式中:ρ——前桥密度函数即设计变量;m——前桥质量函数;σ——应力。

从前桥静力学分析结果可知,疲劳试验工况所受应力最大,选择该工况进行拓扑优化。经过9 次迭代后,得到前桥的优化结构,如图5 所示。根据拓扑优化结果,在前桥中部工字梁区域去除了大量材料,钢板弹簧下方材料分布较多,这与有限元分析结果相吻合。将根据拓扑优化结果重新进行新前桥方案设计。

根据前桥拓扑优化结果,考虑到主销孔以及钢板簧座的影响,决定对前桥中部工字梁区域进行镂空处理。整体工字梁厚度减少2 mm,在此基础上,中部工字梁区域开梯形孔,梯形孔4 个角为圆角,减少应力集中,最终新前桥构型如图6 所示。

图5 前桥优化结果
Fig.5 Front axle optimization results

图6 新前桥模型
Fig.6 New front axle model

4.2 优化验证

优化后前桥整体质量减少3.4 kg,达到了轻量化目的,但是其性能还有待研究。为此,对新前桥进行疲劳试验工况分析以及自由模态分析,如图7 所示。

图7 新前桥性能分析
Fig.7 Performance analysis of new front axle
(a)疲劳试验工况应力(b)疲劳试验工况位移(c)1 阶模态振型

其中,最大应力较优化前有所增加,但没有超过材料屈服强度。优化后最大位移为8.9 mm,和优化前无明显差异;1 阶模态频率为94.80 Hz,和优化前相近,且模态振型相似。总体而言,前桥在减少质量的同时,性能仍然保持不变,验证了轻量化的合理性。

5 结论

本文结合有限元分析方法和拓扑优化理论,提出了一种基于应力特征的商用车前桥轻量化设计方法,总结如下:

(1)从前桥理论受力分析,对前桥4 种典型工况进行静力学分析,发现最大应力低于材料屈服强度,表明前桥存在轻量化设计空间。

(2)对前桥进行自由模态分析,发现前桥最低模态频率高于路面激励,不会与路面产生共振。

(3)基于拓扑优化理论,以前桥最大应力为约束,前桥质量最小为目标进行优化。对新前桥进行静动态特性分析,结果表明:在满足静动态特性要求下,优化后前桥减重3.4 kg,实现前桥轻量化。



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