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发表于 2020-6-2 09:07:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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底盘后纵臂轻量化设计思路

赵云云,商乃钜,谭文峥,杨劲飞

(广西艾盛创制科技有限公司,广西 柳州 545000)

【中国汽车材料网】摘 要:汽车开发过程中,为降低整车质量,节约材料成本,企业会对提出轻量化要求。研发质量轻且性能好的零件,是设计师所要考虑的重要问题。后纵臂是汽车底盘重要零件,对后纵臂进行尺寸优化,并综合考虑零件材料性能,提出满足强度性能要求且质量更轻的设计方案。根据方案思路重新设计零件,对新方案及旧方案进行仿真计算,对比方案更改前后强度性能差异,从而判断轻量化方案是否可以实施。
关键词:后纵臂;底盘;轻量化;强度;尺寸优化
引言
汽车主要由车身系统、底盘系统、发动机、变速器等组成,企业在车型开发过程中,将底盘的设计作为较为关键的问题对待。汽车底盘在整车自重中占较大份额,比例达到30%以上[1]。目前汽车开发速度飞快发展,汽车给生活带来较大的便利以及舒适感,但汽车尾气排放问题却成为一个难以解决的问题。汽车车身重量与汽车尾气排放有着重要的关系,车身重量越轻,相对而言尾气排放则越少。
汽车后纵臂作为底盘重要传力结构,在各性能满足设计要求的同时,应重视零件的轻量化设计。在结构设计中,常用到拓扑优化、尺寸优化等手段对零件进行仿真评估,通过分析结算结果云图等方式,为零件提出更优的结构形式。


1 零件优化思路
在软件中对零件进行轻量化设计仿真,常用较多的有3中方法:拓扑优化、形貌优化、尺寸优化。三种方法在软件设置中都有着一定的差异,根据开发的具体情况对不同的结构使用合适的方法,可以对关键结构提出合理的优化方案,在汽车设计过程中起到较好的指导作用。
拓扑优化是单元的密度作为设计变量,根据输入工况,以及约束设置,可以得知零件整体的材料密度分布框架,根据框架来设计材料的用量,避免材料在关键位置用得过少,或者在不是特别关键的位置用得过多[2]。
形貌优化思路与拓扑优化在思路上有着一定的共同点,但设计变量是节点扰动的形状变量。根据用户的工况输入及约束设置,可以得到零件的起筋走势、筋条形状高度、筋条大小等。
尺寸优化以零件厚度为设计变量,根据用户约束设置及工况输入,可以得到零件不同位置单元厚度的分布情况。


2 后纵臂轻量化设计问题
汽车底盘零件中往往需要到后纵臂零件,后纵臂作为底盘重要部件,在汽车行驶过程中起到关键作用。某车企在对某车型开发时,为减少底盘重量,并节约材料成本,对后纵臂提出了减重需求,需在原设计基础上提出有效可行的轻量化解决方案。考虑到后纵臂减重后,强度性能在数值上有所变动。强度性能是汽车企业所关注的重要性能之一,需要对减重方案再次校核强度性能是否满足标准。原结构后纵臂如下图1,材料为B400/780PD,厚度为4mm。
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图1 后纵臂原结构图


3 有限元仿真
汽车研发过程中的零件性能预测,需借助有限元软件快速仿真,根据仿真数据进行评价。底盘零件的强度性能仿真,基本都需要在Adams 软件中对当前开发车型悬架系统进行建模,并提取出仿真所需的硬点载荷[3]。再从多组载荷中挑选适合后期不同仿真分析项的工况作为后期输入。
根据建模标准,为能够较好体现出结构的整体特征,保证建模更为准确,更为后期得到较为精细计算结果,后纵臂采用单位5mm 的网格进行建模。
后纵臂进行尺寸优化分析,需要将纵臂本体厚度作为设计变量,以质量分数、应变能作为响应,并以应变能最小为设计目标。根据多体悬架模型提载的工况进行评估,决定以过坑工况载荷作为本次优化力输入。加载完成的模型如下图2:
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图2 后纵臂尺寸优化模型图


4 尺寸优化及更改方案
根据尺寸优化云图分析,后纵臂中间区域单元可以设计为较薄厚度。结合设计经验,后纵臂外部框架整体不变情况下,在中间位置进行开孔,即去除富余区域材料。结合零件实际尺寸,以及综合其他因素,在后纵臂材料富余位置开长孔两端圆弧的直径为33mm,在去除中间部分材料后,外侧边缘需起少量翻边,在结构整体加强上有着较大作用,如下图3 方案一结构;在方案一结构基础上,考虑到结构结构整体厚度较厚,在厚度变量上可以再做进一步优化,提出方案二,将后纵臂由原4.0mm 减薄到3.5mm。
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图3 结构优化图



5 结构强度仿真校核
后纵臂强度性能是一项关键的考核指标,强度不足则会在后期使用过程中存在较大的开裂风险。采用惯性释放方法对下纵臂加载极限过坑工况进行强度计算,三种方案最大应力位置基本一致。其中方案一应力水平与原结构基本相当,方案二应力稍有提升。根据企业开发标准,后纵臂最大应力在材料屈服极限强度以内视为满足设计要求。后纵臂材料B400/780DP 屈服极限强度400MPa,所以方案二仍有较大的安全裕度,故认为两种方案都能满足强度性能标准。
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图4 应力云图


原结构后纵臂总质量1.5Kg,方案一总质量1.4Kg,相对原结构减重6.7%;方案二质量1.2Kg,相对原结构减重20%,具体性能变化如下表1。在应力增幅不多情况下,方案二可以实现较好的减重效果,可以作为最终方案实施。
表1 性能变化表

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6 结论
(1)通过有限元仿真软件,可以对结构进行拓扑仿真计算,参考尺寸优化仿真计算结果,根据单元厚度不同分布设计零件厚度,可以使材料较好使用到关键位置,避免材料在设计上的不必要浪费。
(2)根据尺寸优化云图进行分析,结合后纵臂材料强度性能考虑,可以提出更为激进的轻量化方案,将后纵臂减重20%,实现较大的减重目标。本文思路可以为拓展与其他零件以及其他车型的轻量化提案中,为后续其他结构设计提供借鉴性经验。


参考文献
[1] 巩梅.车辆底盘轻量化探究验证[J].设计研究,2018,21:139-140.
[2] 邱治博.基于壳单元参考面偏置的形貌优化研究[D].宁夏:宁夏大学机械工程学院,2018:4-7.
[3] 孙晨凯.基于虚拟试验场技术的SUV 白车身疲劳寿命分析[D].吉林:吉林大学机械科学与工程学院,2017:31-33.




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