新材料与工艺手册

[轻量化专用车] 钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计

1
回复
89
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2021-2-22 12:02:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计

张凯成 李舜酩 孙明杰
南京航空航天大学能源与动力学院,南京, 210016
摘要:为寻求有效的商用车轻量化方案,以某重型商用车车架为研究对象,建立有限元模型并进行自由模态分析和4种典型工况的静态分析,运用多学科优化软件HyperStudy建立车架优化模型,并对4种典型工况下的车架同时进行尺寸和材料的优化。研究结果表明,在保证可靠的强度和模态特性条件下,所设计的钢铝材料结合车架能够有效减小5.6%的质量。
关键词:商用车车架;钢铝材料结合;多工况;轻量化
0 引言

[size=1em]国家标准GB1589—2016对商用车的轴荷及质量限值均进行了压缩[1]。若总质量减小而整备质量不变,则会导致载质量的减小,因此对商用车进行轻量化研究具有重要意义。目前,应用轻质材料是商用车轻量化的重要途径之一,可获得最为明显的轻量化效果。我国考虑到路况和超载问题,为了保证车架的可靠性,车架纵横梁仍以钢材为主。铝合金具有力学性能好、比强度高、加工性能好等优点,且铝合金密度仅为钢密度的1/3。利用铝合金替代部分钢质零件,可充分发挥铝合金在轻量化方面的优势。发达国家商用车的铝化率已经超过80%,我国商用车的铝化率除个别车种如冷藏车外,其他车种的铝化率均很低,有较大的发展空间[2]。

[size=1em]针对车架轻量化在结构优化方面的研究,MA等[3]通过静力分析,基于材料分布,提出了一种分为三段的车架拓扑优化方法;RAO等[4]将两个横梁的位置和横截面作为设计变量,根据不同工况下的模态分析结果对车架进行了优化;LI等[5]根据弯曲和扭转工况的静力分析结果在拓扑优化的基础上进行尺寸优化,并进一步优化了割草机车架质量;王海光[6]采用折中规划法求解货车车架的多目标优化问题,运用拓扑优化配合尺寸优化对车架进行减重。针对车架轻量化在材料方面的研究,龙凯等[7]研究发现多相材料拓扑优化的结构与单相材料结构相比,具有更小的质量;辛勇等[8]对某国产SUV车架进行了刚度和模态仿真分析,并结合正交试验法确定了铝合金代钢的位置;周云郊[9]对车身前端结构钢铝混合材料进行了轻量化设计,建立了综合考虑总质量、前纵梁后端峰值碰撞力等性能的钢铝混合材料与板厚组合多目标优化问题的数学模型,最终使研究对象减重6.0 kg。

[size=1em]目前,国内外有关多工况同时优化以及钢铝材料结合商用车车架方面的研究报道较少,而有关以某个工况下的响应值为约束或目标进行优化,或以部分零部件厚度为设计变量而不考虑结合多材料的研究报道较多,但这会导致设计质量的下降。本文以某商用车车架为研究对象,利用OptiStruct软件分析车架在4种典型工况下的强度和模态特性,运用HyperStudy软件构建车架优化模型,以车架零部件的厚度和材料弹性模量为设计变量,通过试验设计分析获得设计变量与响应间的相互关系,同时对4种典型工况进行优化,最终获得了车架各部件的材料和厚度的最佳轻量化方案。

1 钢铝材料结合车架轻量化技术

[size=1em]在结构优化技术方面,车架结构优化方法通常有:尺寸优化、拓扑优化、多目标优化和多学科设计优化。尺寸优化计算效率较高且易于实施,钢铝材料结合车架基于传统的车架钢质结构,采用铝合金材料制作零件,利用计算机进行性能模拟、优化设计等方式对铝代钢位置加以确定,并结合尺寸优化技术,在保证车架性能的同时能够取得更加显著的减重效果。

[size=1em]在制造和成形技术方面,根据商用车车架的强度要求,一般采用6系和7系的铝合金,常见的牌号为6061和7075。在车架制造的过程中,采用挤压成形工艺可以优化车架的厚度和断面形状,改善铝的组织形式,提高其力学性能。此外,通过提高铝合金的热处理温度可以优化其成形性能。T6温度下6061铝合金的屈服强度约为299 MPa,而T6温度下7075铝合金的屈服强度可达410 MPa。

[size=1em]连接技术方面,钢和铝之间电化学效能不同,因此电极电位相差较大,易发生电化学腐蚀。此外,两种材料熔点与热膨胀系数差别较大,焊接过程中难以形成熔核,且易形成脆性的金属间化合物,难以保证接头强度,受热后引起的内应力难以消除[10],很难通过传统的电阻点焊方式进行连接。由此可知,车架钢铝材料的连接方式可采用机械连接,如冷成形连接的自冲铆接或镀锌螺栓等方式。

2 原车架性能分析2.1 模态分析

[size=1em]首先建立车架有限元模型,本文分析的边梁式车架由两根位于两边的槽型纵梁、两根副梁、若干横梁和支架组成。其中大部分零件为薄壁件,相比三维单元,使用二维Shell63单元可以达到很高的精度,网格数量也会明显减少,也不需要考虑三维网格的大小、网格质量对有限元分析的影响[11]。但小部分零件(如吊耳和连接板),由于其结构复杂不宜用壳单元,故采用Solid187单元进行划分。对薄壁件进行抽中面处理后按平均尺寸10 mm划分可得到171 993个二维网格单元,剩余零件用体网格划分共可得到464 022个三维网格单元。车架各零件之间为螺栓连接,采用RBE2刚性单元进行模拟,可通过简化模型来提高计算速度,划分完成的车架有限元模型如图1所示,其中T为零件厚度,E为零件材料的弹性模量。

[size=0.8em]图1 车架有限元模型
Fig.1 Finite element model of frame

[size=1em]车架模态分析的目的是验证其动力学特性是否满足设计要求,通常根据如下原则进行验证[12-13]:①为避免发生共振,车架前两阶固有频率需要低于发动机怠速时的激励频率;②车架低阶固有频率需要避开发动机工作的频率范围。

[size=1em]本文商用车发动机为六缸四冲程,怠速转速为600 r/min,工作转速为2 200 r/min。由此可知,发动机怠速时的激励频率为30 Hz,工作时的激励频率为110 Hz。汽车正常行驶时,路面激励频率与行驶车速有关,通常高速公路和城市较好的路面对车架的激励多在3 Hz以下[14]。由表1中的固有频率可知,车架的前两阶固有频率与怠速、工作和路面激励频率不同,满足了动态设计要求。

[size=0.8em]表1 原始车架固有频率
Tab.1 Natural frequency of original frame Hz

2.2 车架强度分析

[size=1em]汽车在行驶过程中,不允许出现结构断裂或塑性变形以及表面损坏等一些状况,因此为满足车架强度要求,需要对车架进行静态分析。通过计算汽车所受载荷下车架结构位移、应力、应变,对车架强度、刚度进行校核,进而保证结构安全。首先对汽车在行驶过程中受到的载荷进行处理,本文车架材料为B550L,密度为7.85 g/cm3,泊松比为0.3,弹性模量为210 GPa,屈服强度为450 MPa。在软件OptiStruct内部输入车架材料属性并在软件中添加车架所受各外部载荷,载荷如表2所示。

[size=0.8em]表2 车架所受载荷
Tab.12 Load on frame kg

[size=1em]汽车在实际行驶过程中的工况复杂多变,本文仅针对典型工况进行分析,主要包括弯曲、扭转、转向和制动这4种工况。车架静力分析时采用Spring单元模拟前后钢板弹簧,对车架施加载荷后再根据工况的不同施加相应的约束以及加速度,如表3所示。

[size=0.8em]表3 典型工况下加载及约束形式
Tab.13 Loading and restraint forms under typical working conditions

[size=1em]弯曲工况模拟汽车满载时在良好路面上静止或平稳行驶的状况,车架主要承受弯曲应力作用产生弯曲变形。扭转工况模拟汽车在越障时其中左后轮被抬高100 mm、其余车轮处于同一平面的状况,车架在非对称支撑下主要承受扭转变形。转向工况模拟汽车在紧急转向时,由于离心力的作用而产生侧向载荷的状况。制动工况模拟汽车在正常行驶时紧急制动产生与加速度方向相反的惯性载荷的状况。对上述4种典型工况进行计算可得到各工况的应力云图(图2)。经分析发现,扭转工况下最大应力出现在车架中部横梁连接板与纵梁连接的螺栓孔处,可达440.9 MPa;在弯曲、转向和制动工况下,与车架后钢板弹簧连接的吊耳螺栓孔附近的应力较大,最大应力依次为321.7 MPa、310.5 MPa和312.1 MPa。

[size=0.8em](a)弯曲工况应力云图

[size=0.8em](b)扭转工况应力云图

[size=0.8em](c)转向工况应力云图

[size=0.8em](d)制动工况应力云图
图2 车架4种典型工况下的应力云图
Fig.2 Stress nephogram of frame under four typical working conditions

3 基于HyperStudy的车架材料和板厚优化

[size=1em]HyperStudy是一个开放的多学科优化软件平台,主要包括试验设计、近似模型、优化算法和随机性研究模块。虽然它只含有优化算法而没有内置求解器,但它可以调用非常多的求解器,如OptiStruct、RADIOSS和MotionSolve,甚至包括MATLAB、Excel等各类非CAD软件,可实现多参数的全局优化[15]。

[size=1em]本文采用自适应响应面法进行优化。自响应面法[16-17]是先通过较少的样本点构造一阶响应面,确定寻优方向,然后在优化过程中采用适当的步长沿响应面函数的梯度方向获得新的设计点,接着将新的设计点引入设计空间,逐步构造出二阶响应面模型,并在后续的迭代中继续引入新的设计点来优化二阶响应面。

[size=1em]自适应响应面法的优点是:在构造二阶响应面时,所选择的设计点贴近目标函数的梯度方向,提高了二阶响应面的寻优效率;同时响应面函数随着迭代的进行而不断更新,其拟合精度也随之提高。

3.1 优化设计模型建立

[size=1em]多数研究[18-20]在优化车架的过程中未能将多个典型工况分析结果同时进行优化,只是选择其中某个工况进行优化。利用多学科优化软件HyperStudy可以对多个相同或不同类型的分析模型同时进行优化,如模态分析、疲劳分析、多体动力学分析模型等。本文将4种典型工况下的静力学计算模型导入HyperStudy中同时进行优化,如图3所示。

[size=0.8em]图3 4种典型工况计算模型导入HyperStudy
Fig.3 Introducing HyperStudy into four typical working conditions computing models

[size=1em]由于组成车架的零件数较多,为了简化计算,利用试验设计方法寻找对结构性能影响较大的零件参与后续的优化。采用超拉丁方试验设计方法,以质量及最大应力为响应,选取4种典型工况车架有限元模型中14个零件的厚度T以及18个零件的弹性模量E作为试验设计因子,如图1所示,并对不同工况下的相同变量进行关联。各零件厚度和弹性模量的水平见表4。铝合金采用T6-7075,密度为2.81 g/cm3,泊松比为0.33,弹性模量为71 GPa,屈服强度为410 MPa。

[size=0.8em]表4 因子与水平
Tab.14 Factor and level

[size=1em]试验设计分析结果如图4所示。通过Pareto图可以直观地查看设计变量与响应之间的关系。图4中的柱状图表示各个设计变量对响应的贡献量,折线图对应的是设计变量对响应累计的贡献程度。根据Pareto原理的80/20规则[21],对响应累积贡献80%的设计变量对研究比较重要,其余的变量可以在后续的优化计算中适当舍弃。对于N个响应,可以列出遵循80/20规则对应的设计变量,并取集合的并集参与优化。通过图4可找出对车架总质量和不同工况下的最大应力影响较大的设计变量分别是T4、T6、T9~T12、E4、E5、E8~E10、E15和E16。

[size=0.8em](a)设计变量与车架总质量的Pareto图

[size=0.8em](b)设计变量与车架弯曲工况最大应力的Pareto图

[size=0.8em](c)设计变量与车架扭转工况最大应力的Pareto图

[size=0.8em](d)设计变量与车架转向工况最大应力的Pareto图

[size=0.8em](e)设计变量与车架制动工况最大应力的Pareto图
图4 设计变量与响应的Pareto图
Fig.4 Pareto diagram of design variables and responses

3.2 优化及结果分析

[size=1em]根据试验设计分析结果选取T4、T6、T9~T12、E4、E5、E8~E10、E15和E16作为设计变量,优化目标为质量最小化,约束条件为4种工况最大应力小于限定值,即弯曲工况最大应力扭转工况最大应力转向工况最大应力制动工况最大应力选用自适应响应面法进行优化计算,共经过98次迭代,具体过程如图5所示。

[size=0.8em](a)车架总质量迭代历程

[size=0.8em](b)各工况最大应力迭代历程
图5 迭代历程
Fig.5 Iterative process

[size=1em]根据优化值重新定义一部分零件的材料和厚度,并分别进行4种典型工况下的静态分析和模态分析以验证优化结果,模态分析优化前后对比结果如表5所示,优化后各工况应力云图见图6。设计变量及响应的优化前后对比结果如表6所示。

[size=0.8em]表5 优化前后自由模态对比
Tab.15 Comparison of free modes before and after optimization Hz

[size=0.8em](a)弯曲工况应力云图

[size=0.8em](b)扭转工况应力云图

[size=0.8em](c)转向工况应力云图

[size=0.8em](d)制动工况应力云图
图6 优化后车架4种典型工况下的应力云图
Fig.6 Stress nephogram of optimized frame under four typical working conditions

[size=0.8em]表6 优化前后设计变量和响应对比
Tab.6 Design variables and response comparison before and after optimization

[size=1em]研究结果表明,与原车架相比,优化后的钢铝材料结合车架4种典型工况的最大应力均有所减小,提高了安全系数。同时,优化后车架模态性能满足设计要求,车架总质量也实现了进一步减小,总共减小了0.089 t,减小幅度为5.6%。

4 结论

[size=1em](1)优化过程中只考虑单一工况不符合实际情况,本文基于多学科优化软件HyperStudy可实现对4个典型工况下的车架静力分析模型同时进行优化,可较为全面地考虑车架在不同工况下的工作状态,提高了设计质量。

[size=1em](2)为提高计算效率,本文在优化之前进行了试验设计分析,选取对车架总质量和4种典型工况的最大应力结果影响较大的设计变量参与后续优化。最终优化后的车架在保证静动态特性的同时实现了钢铝材料的结合,且车架总质量减小了5.6%。

[size=1em](3)本文在研究过程中只选取了试验设计分析结果中对车架目标性能影响显著的零件参与优化计算,而其余钢制零件对车架目标性能影响较小,将其钢制材料替换为铝合金可进一步减小车架总质量。



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线