基于ABAQUS的后副车架结构分析及优化

2020-06-02容家坤

汽车零部件 2020年5期

容家坤

(柳州孔辉汽车科技有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

伴随着汽车行业的高速发展以及企业之间竞争压力的加剧，CAD与CAE在汽车零部件设计开发中的应用越来越普遍。现代汽车开发设计流程一般是由动力学和总布置分析来获取硬点、零部件包络及载荷等设计输入，然后根据设计输入等资料,通过UG三维软件设计三维模型,再利用CAE有限元分析来评判设计的可行性。将计算机仿真和结构设计有效地结合在一起，极大缩短了开发周期。

本文作者以某车型后副车架开发作为实例，对所设计的副车架结构模型进行CAE计算机仿真分析，并结合分析结果，对结构模型进行优化，使得设计结构满足技术要求。

1 后副车架简介

后副车架是底盘悬架中不可缺少的零部件，支撑着所有簧载质量，悬架通过副车架与车身相连，车辆行驶过程中所产生的各种力和力矩以及产生的各种振动均通过副车架缓冲再传递到车身，降低了振动。因此，副车架的强度、刚度、模态、疲劳极限等对车辆整体的操纵稳定性及安全性起到至关重要的作用，提升了乘车舒适性、底盘强度和操控稳定性，同时也提高了装配便利性及设计通用性。

按照副车架本身工艺特性区分，有冲压焊接和液压成型焊接两种。文中介绍的后副车架两种工艺特性均存在。该副车架由两根液压成型的纵梁和两根冲压成型的横梁以及一些附属支架通过焊接构成，如图1所示。

图1 后副车架结构

2 副车架几何模型的建立

2.1 网格划分

用UG将副车架模型转换成STP格式，导入到HyperMesh中进行网格划分。副车架本体的网格采用壳单元，四边形为主，三角形为辅；焊缝采用壳单元四边形。整个网格模型的单元尺寸是5 mm，单元数为46 624，结点数为45 648，模型见图2。

图2 副车架的有限元模型

2.2 材料与属性

副车架前、后套筒材料采用Q345B，厚度为3.0 mm；摆臂前点支架材料采用QSTE380，厚度为3.5 mm；上摆臂支架、后横梁、前横梁加强板和摆臂后点支架材料均采用SAPH440，厚度为3.0 mm；纵梁和前横梁材料采用SAPH440，厚度为2.5 mm。

按照结构设计输入，CAE分析定义材料参数：密度为7.8×10-9t/mm；泊松比为0.3；弹性模量为2.1×105MPa；长度单位为mm。

2.3 分析类型及分析软件

CAE分析在副车架结构优化中发挥着重要作用。通过有限元分析，准确判断结构改进的变化趋势，进一步指明结构优化方向。文中主要涉及副车架的刚度分析、强度分析。

强度分析、刚度分析均采用非线性分析软件Abaqus。

3 概念结构有限元分析及结果

3.1 刚度分析结果

副车架概念结构的刚度分析结果如表1所示,其中下摆臂内前点支架、下摆臂内后点支架(左)(即安装衬套的轴向方向)刚度均未达到目标值。

表1 概念结构后副车架刚度分析结果 N·mm-1

3.2 强度分析结果

概念结构的强度分析结果如表2所示，其中，工况一和工况二的应力值不符合目标值，具体应力云图见图3。

表2 概念结构后副车架强度计算结果 MPa

图3 概念结构应力云图

4 优化设计

4.1 刚度优化

如图4(a)所示，2个支架X方向刚度不足是由于支架的根部在X方向支撑力度不够。在产品设计过程中，通常有3种途径提高刚度：(1)局部添加加强筋或者加大截面积；(2)增加焊缝；(3)优化结构或者增加加强板。在此副车架结构中，由于装配空间、质量的局限，而且支架已经采用满焊，在设计优化时最终选择修改支架结构，即增加支架的翻边长度来加强在X方向的支撑强度，如图4(b)所示。