基于NASTRAN的某轻卡蓄电池铝合金 支架轻量化研究
2021-09-09方明耀董勇峰
方明耀,董勇峰,黄 勤
(江西五十铃汽车有限公司 产品开发技术中心,江西 南昌 330010)
引言
随着国家物流行业的蓬勃发展,城市物流市场和农村运输市场对轻卡需求愈发增大,商用轻卡市场销量节节攀升[1-2]。与此同时,随着国家严格的蓝牌上牌政策要求,商用轻卡轻量化减重已经迫在眉睫。
轻量化技术,是指结合相关理论和CAE及试验等优化方法,采用轻质材料替换等手段,在保证零部件本身的综合性能持平的条件下,减轻零部件本身的质量。
铝合金材质,其密度约为钢材的1/3,同时具有高比强度、抗腐蚀性、高力学性能等优势,与一般的合金材料相比,其塑性较好,加工工艺简单,基于此优势,铝合金材料在商用车轻量化设计中有着较为突出的优势,大范围应用于整车底盘和车身系统结构设计中[3-4]。
蓄电池是轻卡必不可少的一部分,为整车启动和影音娱乐系统提供必要的电能,整车的性能发挥整车与否与蓄电池系统功能是否良好工作紧密相关,故蓄电池安装固定支架既要确保本身的结构强度,同时也要实现零部件减重目标。
本文首先利用相关测试设备,在襄阳试验场对某款轻卡的蓄电池支架进行了道路加速度采集测试分析,随后利用CAE分析软件,对蓄电池铝合金支架轻量化方案分别进行了静强度分析和有限元模态分析,结果表明,本文研究的蓄电池铝合金支架轻量化方案成功避开了整车怠速频率26.7 Hz,在静态强度工况下,铝合金支架最大应力均小于6061铝合金材料屈服极限强度,该支架减重取得减轻1.2 kg效果。
1 蓄电池支架加速度试验
1.1 襄阳试验场耐久道路工况
襄阳汽车试验场是我国汽车行业内著名的综合性汽车试验场地,拥有坏路、平路、山路等路面[5]。本文开发的轻卡整车耐久试验开展的是坏路和山路考核,主要包括扭曲路和比利时路等路面(图1)。
图1 襄阳试验场路面示意图
1.2 蓄电池支架加速度采集
本文在襄阳试验场进行了某轻卡蓄电池支架加速度采集试验,图2为加速度传感器布点位置说明,整车GVW质量4 495 kg。
图2 蓄电池支架加速度传感器布点位置图
1.3 蓄电池支架试验数据分析
本文在襄阳试验场进行了四轮坏路工况采集,铝合金蓄电池支架加速度数据测试结果如图3,蓄电池支架固定端前进方向峰值加速度为1.2 g,Y向峰值加速度为1.8 g,高度方向最大值达到5.6 g,兼顾设计使用余量,本文输入于铝合金蓄电池支架强度分析的载荷激励为X5 g,Y5 g,Z6 g。
图3 蓄电池支架加速度测试数据
2 蓄电池支架CAE轻量化分析
2.1 模态分析理论
零部件模态频率及其振型是分析振动特性基础,通过模态分析可确定结构NVH特性[5]。
某商用轻卡铝合金蓄电池支架的振动方程为[5]:
式(1)中,[M]是蓄电池系统总质量矩阵;C为蓄电池系统阻尼矩阵;[K]为蓄电池系统总刚度矩阵;为系统加速度向量;{q}为系统位移向量。
2.2 蓄电池铝合金支架FEA模型
某轻卡车型蓄电池支架通过四个M8螺栓与车架纵梁建立连接,而铅酸蓄电池模块通过上压板与支架建立约束关系。基础蓄电池支架方案材料为厚度为DC01,厚度为2 mm,基础方案蓄电池支架重量为3.25 kg,轻量化方案为使用6061系列轻质铝合金材料,厚度也为2 mm,重量减轻了1.2 kg,该支架为挤压成型件,模型主要采用长方形单元划分,蓄电池采用Solid单元模拟,支架后端安装孔自由度全约束,上压板和下托板与蓄电池本体采用REB2单元连接,普钢基础方案和铝合金轻量化方案FEA模型见图4。
图4 蓄电池支架有限元模型
2.3 蓄电池铝合金轻量化支架NVH模态分析
本文对蓄电池铝合金支架轻量化方案进行了NVH模态分析,得到该系统频率及振型。图5显示,蓄电池铝合金支架轻量化方案自由模态为53.6 Hz,约束模态为184 Hz,该车型整车怠速频率为26.7 Hz,由分析结果可知,铝合金轻量化支架有效避开了共振风险,满足目标。
图5 蓄电池铝合金支架轻量化方案CAE模态分析结果
2.4 铝合金蓄电池轻量化支架强度分析
根据上述测试的加速度数据,本文对铝合金蓄电池支架轻量化方案进行了结构强度分析,结果表明,其中X5 g工况下,该轻量化支架最大应力为34.4 MPa,Y向5g工况下,该轻量化支架最大应力为29.1 MPa,Z向6 g工况下,该轻量化支架最大应力为121.4 MPa,而6061铝合金材料屈服强度为240 MPa,因此该蓄电池铝合金轻量化支架最大应力均小于材料屈服强度,满足设计目标要求。
图6 蓄电池铝合金支架轻量化方案强度分析结果
3 结论
本文基于结合汽车结构和数值分析理论,采用CAE分析软件,同时测试了襄阳达安试验场的铝合金蓄电池支架加速度,对某轻卡蓄电池铝合金轻量化支架进行了轻量化分析,结果如下:
蓄电池支架加速度实测峰值为X向5 g,Y向5 g,Z向6g。
蓄电池铝合金支架NVH模态结果显示,自由模态频率为53.6 Hz,约束模态频率为184 Hz,某轻卡的发动机怠速的激励频率为26.7 Hz,该轻量化支架避开了怠速共振频率,满足目标。
蓄电池铝合金支架结构强度结果显示,该支架满足强度目标要求,同时轻量化效果显著。