新材料与工艺手册

[轻量化设计] 汽车轻量化结构方案的优化设计

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发表于 2020-5-26 10:24:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】汽车轻量化结构方案的优化设计
张云鹏 孙先锋 张胜利
摘 要:本文进行了汽车轻量化相关影响因素研究,提出进行车身弯曲刚度、车身扭转刚度分析,提出进行车身动态性能评价,并进行了汽车轻量化结构方案的优化设计,要求分析车身灵敏度以及车身轻量化,优化部件之间连接以及部件属性与材料,对汽车轻量化结构设计提供了一定的参考意义。
关键词:汽车轻量化;弯曲刚度;扭转刚度;部件属性

[size=1em]随着目前人们对汽车性能以及外观要求的增加,汽车设计理念也随之不断优化,在保证汽车具有良好使用性能的前提下,加强汽车的轻量化已经成为汽车研究的重要方向。

1 汽车轻量化相关影响因素研究1.1 车身弯曲刚度分析

[size=1em]车身弯曲刚度是汽车自身轻量化的重要影响因素之一,为此研究车身刚度情况,具有4000kg 最大承载质量、0.25%FS 测量精度、本次研究的测量范围为0~20mm,最大测量轴距为4000mm,具有1200~2000mm轮距调整范围[1]。

[size=1em]对位移传感器设置-10~10mm 测量范围,同时还应当测量卷尺、拉杆位移传感器、水平尺、位移传感器固定磁座等。力传感器的测量范围设置为-10000~10000N。纵梁测点也即是位移传感器布置位置,两者一致。弯曲刚度加载需要进行四次,第一次加载250N,2min 之后加载500N,以此进行加载作业,直至达到1000N[2]。

1.2 车身扭转刚度分析

[size=1em]在汽车门框位置、前风挡玻璃等位置中设置拉杆位移传感器。在T形台架上添加位移载荷,以此进行扭转刚度的加载,具体分为四组添加方式,第一组添加250N,在第二组添加之前要求,在位移稳定,在同等条件之下进行后续添加作业,一直至1000N。扭转刚度工况中,具有0.5%最小误差,仿真门框与试验门框之间最大对角变形最大误差数值达到25.4%,在多数情况下,误差值均低于12%,由此可见仿真结果具有较高的符合度[3]。

[size=0.8em]表1 扭转刚度纵梁变形相关数值

[size=1em]本次研究中实验仿真值是8207Nm/°,扭转刚度试验结果是7958Nm/°,两者之间误差值较低,只有3%,显示了此次实验的精度。

2 车身动态性能评价

[size=1em]对汽车进行模态应变能分析,以此判断车身动态性能,A 柱位置与其他位置相比明显要高,主要原因是没有安装挡风玻璃。A 柱之外的其他位置均具有较为合理的应变能分布。

[size=1em]在扭转模态中,具有较大应变能部位为A 柱、后背门框下部、C 柱下部等部位。呼吸模态下,B 柱位置、前风窗框上部等位置于其他位置相比,具有明显较高的应变能,通过较高的应变能可见应当加强B 柱位置。

3 汽车轻量化结构方案的优化设计3.1 分析车身灵敏度

[size=1em]在汽车轻量化过程中应当有效提升车身的灵敏度,为此应当分析车身中对车身刚度具有较大影响的关键部分,结合灵敏度的设计要求,适当降低相关厚度。因此要求对车辆进行灵敏度分析,计算各设计变量的导数下,结构响应值,从而分析出对目标值影响最大以及最为关键的部分,,从而得出最优设计参数以及敏感系数。灵敏度分析设置,模块包括拓扑优化、形貌优化、目标值设定、响应设定等。

[size=1em]根据车辆灵敏度的分析要求,应当适当优化钣金件尺寸与外形等,要求在保证材料密度的前提之下,增加材料的弹性模量,也可以在保持材料弹性模量的同时降低材料的密度。可以在钣金件上设置多种类型的加强筋,变更加强筋形式,将U 型开口结构设计为封闭结构形式,从而以此提升截面抗弯刚度值。

3.2 分析车身轻量化

[size=1em]为了提升汽车整体轻量化效果,应当加强车身轻量化,将车身部件厚度控制在2.5mm 以内,避免厚度增加之后相关费用也随之增加,或者在具有较大板件厚度值情况下,出现点焊不正常等现象。减小部分部件厚度,例如右后安装支架初始厚度为(2.00E+00)mm,将其调整为(1.20E+00)mm。

3.3 优化部件之间连接

[size=1em]部件连接是汽车设计过程中的重要影响因素之一,要求汽车设计过程中积极加强并优化部件之间的连接。经常采用的连接方式包括点焊密封胶连接、点焊、缝激光焊结构角连接、螺栓连接、缝焊、膨胀型结构胶连接等,焊缝连接过程中具有4mm 高度,焊点直径为6mm,膨胀型半结构胶则具有8mm 宽度。汽车轻量化设计过程中应当结合汽车的设计理念、设计方式等选择部件之间最佳的连接方式。

3.4 优化部件属性与材料

[size=1em]将汽车材料密度、弹性模量、泊松比输入至计算系统之中进行仿真计算。常见的材料包括DC01、Q235、QSTE500 等,分别具有不同的抗拉强度与屈服强度。板金件泊松比为0.3,弹性模量2.1e5MPa,密度7.85e-9t/mm3,膨胀型半结构胶泊松比为0.43,弹性模量10MPa,密度1.4e-9e-9t/mm3。在设计过程中应当积极极加强部件属性的研究,按照轻量化的设计要求选择最佳的设计材料。

4 结束语

[size=1em]本文研究中从车身弯曲刚度、车身扭转刚度、车身动态性能等层面进行了分析,提出汽车轻量化结构优化设计方式,应当积极提升汽车车身灵敏度以及车身轻量化,优化部件之间连接以及部件属性与材料,使得汽车设计能够更好地满足目前人们对汽车的需求。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]梁耀锋.重型汽车车架局部结构优化和高强度钢应用轻量化模型分析[C]//重庆市专业技术人才知识更新工程项目——“汽车轻量化及零部件可靠性设计技术”高研班.2014.

[size=1em][2]张宇.基于稳健与可靠性优化设计的轿车车身轻量化研究[D].上海:上海交通大学,2009.



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