镁合金后副车架轻量化分析

2015-07-25龚林波褚超美

通信电源技术 2015年5期

龚林波，褚超美，顾放，梅超

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

后副车架作为底盘系统重要的承载元件，与车身和悬架系统相连，主要作用是提高悬架系统的连接刚度，减少路面震动的传入，从而增强轿车的舒适性。由于汽车行驶路况的不同，车架在行驶的过程中受力情况复杂，不仅要求车架有足够的强度和刚度，而且要求其质量越轻越好。在产品设计阶段，车架的轻量化研究不仅对减少原材料的浪费、降低生产成本和提高产品竞争力都具有很重要的实际意义，而且对新产品的开发具有重要的指导作用。

现代设计方法不断提高，运用有限元分析方法实现轻量化设计，使设计过程可预见、可控制。CATIA、Hyperworks利用计算机技术分别考虑了车架承载过程中的各种约束，将安全性和舒适性引入轻量化设计过程中，为后副车架的轻量化研究提供了技术上的借鉴。

1 车架有限元模态分析

1.1 后副车架有限元模型的建立

根据对原后副车架的结构受力情况分析，并依据镁合金的材料特性，利用三维造型软件CATIA对原始的结构进行优化，初步建立出三维模型。考虑到一些小部件对车架总质量影响不大，对其进行了一些简化，最终建立模型如图1所示，其材料的力学性能如表1所示。

图1 车架三维模型

表1 后副车架材料的力学性能

使用HyperMesh对三维模型进行网格划分建立有限元模型，为保证模型的准确性，在此次设计的网格划分中采用局部人工改善网格和自动划分相结合的办法来达到网格质量要求。所分析的有限元模型是用PSHELL单元网格进行划分的，因此检查的对象主要是三角形单元和四边形单元。最终建立的有限元模型如图2。

1.2 车架模态分析

图2 车架有限元模型

利用optistruct求解器对后副车架进行自由状态下的模态分析，在自由状态下，后副车架第一阶整体模态频率必须要大于200 Hz，提取前6阶的自由模态值。实验模态分析即是通过对系统施加某种激励，测出相应的响应，根据频响函数来识别结构的模态参数，试验模态分析可以用来验证有限元模型及计算模态分析的准确性。为模拟车架的自由状态，实验时将车架用软橡皮绳悬挂起来，采用力锤激励。实验后测得的实验模态与计算模态值比较如表2所示。

表2 车架计算模态和实验模态对比

由表2可以看出，计算模态和实验模态相对误差值都比较小，说明以上建立的有限元模型比较准确，可以依此模型来进行轻量化分析。

2 车架工况应力变形分析

2.1 载荷条件

所有载荷以均布载荷或者集中载荷的方式加到相应的节点和单元上，其中主要包括车架自身的重量、乘员的重量、发动机的重量、满载时货物的重量以及油箱和油的重量等。

2.2 工况及边界条件

（1）普通载荷工况

在普通载荷工况下，后副车架经受一些普通的载荷，例如车身自重，行驶中的制动力等。

（2）疲劳载荷工况

在疲劳载荷工况中，后副车架往往处于一个循环载荷作用，如轿车加速、倒退、过弯转向等，此时应注意考虑材料的疲劳强度问题。

（3）特殊工况

在特殊工况下，后副车架会受到较大的冲击，比如轿车过坑，后轮撞到路台等状况。

2.3 分析结果

分别将3种工况的有限元模型提交到Optistruct求解器中进行分析，得到车架在3种工况下应力和变形结果，其中疲劳载荷工况下的应力和变形云图如图3、图4。

图3 疲劳载荷工况应力云图

图4 疲劳载荷工况应变云图

疲劳载荷工况下车架的受力和变形最为严重，最大应力为204.9 MPa，发生在右上主管靠近与发动机上支承联接管处，最大位移2.67 mm发生在车架左货架尾部，其余工况下最大应力分别为167.3 MPa、187.6 MPa，最大变形分别为1.62 mm和1.83 mm。镁合金后副车架满足强度要求，同时有一定的富余量，可以进一步进行结构的轻量化设计。

3 后副车架结构优化方案

鉴于此镁合金后副车架为小批量生产，由于后连接上下冲压件的后横臂距离较长，为减小冲压件尺寸，降低冲压模具成本，将后连接焊接总成分为3段式，通过焊接连接。在保证强度的前提下为了达到轻量化的目的，新设计镁合金后副车架在原有结构基础上，中间摆臂箱体处尺寸保持不变，长横臂截面尺寸变小，其他结构的壁厚都进行了适当的减小，具体尺寸如图5。