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[车身轻量化] 浅谈汽车车架轻量化研究现状

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发表于 2020-5-8 10:15:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】浅谈汽车车架轻量化研究现状

赵生莲 攀枝花学院 交通与汽车工程学院 四川攀枝花 617000
摘要:从汽车车架轻量化国内外研究现状进行了阐述,具有一定的实际参考价值。关键词:汽车;车架;轻量化;研究现状
前言

[size=1em]汽车作为交通和运输的主要工具之一,在日常生活中起着越来越重要的作用。从人们的代步、旅游,到快递及货运公司的运输,到处都离不开汽车的使用。我国的汽车产业起步较晚,但是随着国内外市场的变化,近10 年来我国汽车产业呈现井喷性态势,2009 年我国已成为世界第一汽车产销大国。从2006 年到2016 年,我国汽车产量由727.89 万辆增加到2,811.88 万辆,汽车销量由732.80 万辆增加到2,802.82 万辆,年均增长率分别达到15.30%和4.99%。目前,我国汽车产销量持续保持稳步增长。在汽车行业快速发展的同时,人们对汽车的安全性、舒适性和轻量化的要求也越来越高。

[size=1em]汽车在道路上行驶时,路况、载重随时会发生变化,同时还会遇到刹车以及转弯等各种状况,车身的受力情况十分复杂。车上的零部件长期遭受各种静、动载荷作用,如果某一个结构发生破坏,将会造成重大的人身事故和财产损失。而车架作为汽车的主要承载结构,其结构设计显得尤为重要。

[size=1em]车架结构设计有以下要求:

[size=1em]①车架的设计要满足汽车总体布置的要求,让其它主体结构有充足的安装空间和合适的安装位置;

[size=1em]②车架结构必须具有足够的强度,在汽车设计的正常工况和突发情况下不发生结构破坏,并且还需要考虑在长期循环载荷的作用下,车架应具备足够的疲劳强度;

[size=1em]③车架结构同时应具有足够的刚度,在负载的作用下不产生过大的变形,以避免对结构的功能性造成影响;

[size=1em]④车架的设计还需考虑在高低不平路上的随机振动下,不能产生剧烈的振动,否则会对整车的舒适性造成影响;

[size=1em]⑤在汽车产业的不断升级和节能减排的背景下,车架的整体轻量化是一个重要的研究方向。

[size=1em]汽车车架是一个复杂的力学系统,包含复杂的几何、载荷和约束,通常需要进行比较多的简化和假设,才能构造出计算模型,这样得到的计算结果与实际情况下的结果必然存在一定的差距,精度难以得到保证,并且有些情况下还无法求出结果。传统的车架设计方法基本上是基于经验和规范,虽然能够保证车架的功能性和结构强度,但是没有办法深入了解车架的承载特性,在一定程度上造成了车架设计的盲目性和过多的强度余量,在车架设计完成后,还需对车架进行大量的试验测试,这需要投入大量的人力和财力,此时有限元分析(FEA)便体现出了优势。

[size=1em]有限元的概念是在上世纪60 年代提出的,其本质是一种高效的数值计算方法。随着有限元理论的深入研究以及计算机技术的发展,各种有限元分析软件应运而生,有限元分析也成为工程领域中重要的一环。对于汽车车架的设计,有限元分析具有以下优点:

[size=1em]①可以同时考虑各种复杂工况,预先发现结构设计中存在的问题,减少设计成本,缩短周期;

[size=1em]②可以对结构进行优化,包括减轻结构重量、优化结构形式,从而降低材料成本;

[size=1em]③可以替代部分试前测试,或者提前模拟试验方案,为试验提供指导方向和参考;

[size=1em]④可以在汽车发生事故后,对事故现象进行模拟分析,查找其产生的原因,避免事故的再次发生。

[size=1em]ANSYS 是一款有限元分析软件,功能强大,模块众多,在国内外大中型企业以及高校中得到了广泛的应用。Workbench 作为ANSYS 公司开发的协同仿真环境,可以快速实现各种耦合分析和仿真流程的管理,以高度的集成化和良好的用户界面得到了越来越多工程师和技术人员的青睐。运用Workbench 这一仿真软件,可以对车架进行强度、刚度、疲劳静力分析以及模态、振动、碰撞等动力分析,同时软件也集成了优化设计技术,这对于车架的前期设计和后期优化具有重大的指导意义。

1 车架有限元国内外研究现状1.1 国外研究现状

[size=1em]1970 年,美国宇航局使用Nastran 软件对某汽车结构进行了有限元分析,开启了有限元法在汽车领域的应用的首例。Ao.Kazuo,Niiyama 对某汽车车架进行了有限元静力分析,从而为车架的设计和优化提供了参考。Kim.H.S 研究了车架在极限载荷下的破坏形式,对车架结构有了深入的了解。Choi,Y.Yem,H.T.和Park,J.H 以及Lee,H.Y.,Seo,H.和Park,G.J.通过有限元法对汽车的车架进行研究,全面分析了纵横梁不同截面形状和横梁上的开孔对应力集中的影响,并对有限元的网格划分提出了建议。

[size=1em]随着对车架结构强度的分析,发现静态载荷不是造成车架破坏的唯一原因,外界的动态激励也是不可忽略。因此,国外的学者对车架的动态特性开始了研究。Silva,M.M.D.,Oliveira,L.P.R 和Neto,A.C.,针对某一越野车车架分别进行了有限元模态分析和模态试验,有限元分析结果和试验结果达到了较高的吻合,并且通过适当改变车架结构,对比了车架改变前后模态属性的变化,为后期车架的动力学设计提供了依据。Krawczuk、Marek 等人采用有限元法对某一货车车架进行了动力学研究,全面分析了车架结构在动载激励下的动态响应,从而能够评价车架的动力承载性能。E.Rustighi 和S.J.Elliott 主要研究了汽车车架在路面不平度激励下的随机响应,探讨了轮胎的减振作用,为轮胎设计提供了思路和参考。Stefandietz 和Sebastian Stichel 等人对某货车车架进行了随机振动疲劳分析,详细研究了路面动态载荷的求解方法,为准确进行车架的随机振动分析和疲劳寿命预测打下了良好的基础。

[size=1em]为了节省材料和降低成本,人们很早就开始了汽车的轻量化研究。1994 年,在国际钢铁协会的主持下成立了ULSAB(Ultra-Light Steel Auto Body)项目组,旨在保持车身性能和不提高成本的前提下,有效降低车身质量。历时4 年,该项目终于完成,成果显著。相比于同类型车辆,试制车身总质量下降25%,扭转刚度和弯曲刚度分别提高了80%和52%,同时满足了碰撞安全性的要求,成本降低了15%。韩国汉阳大学的J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song和G.J.Park[12]吸取ULSAB 的核心设计理念,对轿车车门进行了结构优化,并运用组合钢板的工艺,使车门减重8.72%。通用汽车公司和密西根大学从碰撞过程中吸收的最大能量出发,应用拓扑优化技术对轿车后围结构进行了优化设计,研究成果已得到实际应用。

1.2 国内研究现状

[size=1em]1974 年,我国的徐芝纶院士将有限单元理论实际应用于力学计算中,并出版了有限元法专著《弹性力学问题的有限单元法》,为有限元法提供了理论基础。上世纪70 年代末,浙江省交通科学研究所应用有限元法对某大型客车进行了强度分析,开始了有限元法在汽车领域的实践。

[size=1em]上官星雨抬头,新月般的脸上都是笑:“因为林师父常常在课上讲,当年他在河洛道上遇到师娘,是九月初九,他请孙师父配药涂脸,带着师娘您入宫赴皇帝的梨园宴,也是九月初九日啊!”

[size=1em]张硕,龙海洋等人研究了某电动汽车在路面激励下的振动响应,首先通过MATLAB 获得路面的激励谱,然后结合Workbench 对车架进行了随机振动分析,最终根据分析结果来改进车架结构。由于对节能减排的要求越来越高,人们开始重视了对汽车轻量化的研究。马迅、盛勇以车架变形和一阶频率为约束,对车架梁截面尺寸进行了优化,成功实现了减重13.31%。北京航空航天大学的杜发荣教授研究了某发动机活塞结构的优化设计方法,以活塞变形为控制变量,最终大幅减少了活塞重量。盛建、戴作强等人基于有限元优化设计模块对某客车车架进行了轻量化设计,探讨了有限元优化设计的方法,并使车架重量减少了5%。于志新,曹全德和杨士通建立了某货车车架的简化模型,针对车架刚度不足的缺点,对车架梁结构进行尺寸优化,使车架刚度提高了8%。

2 结束语

[size=1em]在汽车产业的不断升级和节能减排的背景下,车架的整体轻量化是一个重要的研究方向。



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