某纯电动汽车后减震器座安装点刚度分析及优化设计
2020-06-02贺鑫董华东朱浩
贺鑫,董华东，朱浩
(奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽芜湖 241000)
0 引言
随着我国经济近年来的飞速发展，人们在物质生活上得到一定保障的同时，对于车辆的驾驶性能需求也不断提高，包括驾驶稳定性、安全性及舒适的驾驶感受等[1]。减震器作为车辆组成中不可或缺的部分，通过抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，从而使车辆能够在复杂的路况下实现安全及平稳的行驶[2]。而用于安装减震器及支撑悬架系统的减震器座，其刚度高低直接影响整车平顺性、缓冲降噪、驾驶稳定性[3]，甚至影响到悬架系统的动态响应过程[4]。汽车减震器座主要包括前、后减震器座，本文作者主要针对某款纯电动汽车在设计过程中后减震器座的Y向刚度不足问题，进行CAE仿真分析及结构优化。
基于设计人员提供的后减震器座实体模型，利用HyperMesh前处理软件建立其有限元模型，转换格式后导入Nastran软件进行刚度分析，最后再根据HyperView软件考察在产品设计初期是否满足设计需求[5]，针对CAE分析结果设计5种优化方案，最终确定能有效提高后减震器座安装点刚度的最佳方案，满足性能要求，节约产品开发成本，缩短产品开发周期[6]，同时为后减震器座的结构改进和优化设计提供参考。
1 前处理工作
1.1 建立有限元模型
利用HyperMesh17.0仿真软件建立与设计人员提供的后减震器座模型一致的有限元模型，如图1所示[7]。
图1 后减震器座有限元模型
该有限元模型包括后减震器座、轮罩前支撑梁、后地板、后地板横梁、后地板纵梁等。网格划分完成后，对模型质量进行检查，并修补不合格单元[8]。确保模型质量满足要求后，采用BAR2、acm、RBE2和adhesives等单元连接方式来替代车身的螺栓连接、点焊、缝焊和粘胶等实际连接方式[9]，与其他部位的有限元模型连接后，建立完整的白车身有限元模型，如图2所示。
1.2 分析工况
根据汽车白车身骨架刚度试验的实际条件，在HyperMesh17.0仿真软件中施加边界条件，即约束与载荷，如图3所示。
图3 边界条件
(1)约束
约束门槛梁整个下端自由度X、Y、Z三个方向的平动自由度(ΔX、ΔY、ΔZ)。
(2)载荷
在后减震器座安装点位置施加5 000 N的Y向力。
该车型后减震器座总成中，材料主要有双相钢HC340/590DP、铝材6082T6，具体参数见表1。
表1 材料参数
(3)刚度计算公式
后减震器座安装点刚度为静刚度，主要考察在静态载荷下抵抗变形的能力[10]。计算公式如下：
(1)
式中：F、δ分别为作用于结构的广义力和广义力产生的广义位移[11]。
2 仿真计算及优化分析
2.1 Nastran软件简介
MSC.Nastran软件是由MSC.Software公司推出的大型结构有限元分析软件，主要包括静力学分析、动力学分析、热分析等功能[12]。本文作者主要利用Nastran软件对后减震器座安装点刚度进行分析。首先在HyperMesh前处理软件中建立含后减震器座总成的白车身有限元模型，转换为bdf格式文件，导入Nastran软件中进行仿真计算，最后将op2格式的结果文件同bdf计算文件一起导入HyperView中进行结果处理。
2.2 仿真计算
利用Nastran仿真软件进行仿真计算，将最终结果中的op2文件导入HyperView进行后处理分析，得到后减震器座安装点Y向变形云图，如图4所示。
图4 后减震器座安装点Y向变形云图
测得图4中后减震器座安装点的相关点Y向位移后，与第1.2节中分析工况中的Y向载荷共同代入公式(1)中，计算得到后减震器座Y向刚度值为2 949.9 N/mm。而根据某公司的相关CAE分析规范，目标值为4 500 N/mm，明显不满足要求。
2.3 优化分析
在和设计部门交流讨论后，针对后减震器座安装点Y向刚度不满足要求情况，提出5种结构优化方案。
方案一：增加零件
基于原始方案，在左右后轮罩中间增加支撑梁及安装支架，如图5所示。
图5 方案一
方案二：增加零件
基于原始方案，在减震器座上方增加斜支撑，后地板横梁上方增加钢板安装件，检修盖板支撑梁增加两个方形支撑(对称分布)，如图6所示。
方案三：改变结构
基于方案二，改变如图7所示的钢板安装件结构。
图6 方案二 图7 方案三
方案四：结构加强
在方案三基础上，将后地板纵梁截面加强，如图8所示。
方案五：结构变更及减重
在方案四基础上，检修盖板支撑梁上的2个方形支撑改为斜支撑，后地板横梁上方的钢板安装件厚度由1.8 mm变为1.5 mm，轮罩前支撑梁厚度由4.0 mm变为2.0 mm，如图9所示。
图8 方案四 图9 方案五
2.4 方案分析结果统计
将5种方案依次利用第2.2节所示的计算方法进行求解，得到5种方案后减震器座安装点Y向刚度值，与原始方案汇总于表2。
表2 分析结果汇总
由表2可知：
(1)方案三、四、五均满足要求；
(2)方案三、四虽满足要求，但相对方案二刚度值提升不大，仅略高于目标值；
(3)方案五相对方案三、四刚度值提升显著，且明显高于目标值。
3 结论
(1)利用CAE软件对后减震器座安装点进行网格建模、计算分析、结果处理后发现不满足要求，需要进行结构优化。
(2)根据原始方案的分析结果，提出5种优化方案，均相对原始方案刚度值有所提升，且优化方案五最佳，满足性能要求。
(3)通过CAE技术对含后减震器座安装点的白车身有限元模型不断优化，最终确定最佳方案，为后减震器座结构的改进和优化设计提供重要依据。
