fcv后懸架縱臂的輕量化設(shè)計(jì)

新能源汽車對(duì)于緩解和解決汽油耗竭問題、用車燃油不足方面具有重要意義。然而，與普通汽車相比，由于電池和能源管理系統(tǒng)的重量更重，車輛的重量更重。因此,開展新能源汽車輕量化技術(shù)研發(fā)已成為十分必要的課題。結(jié)構(gòu)件輕量化的途徑一般有兩條:一是采用輕型材料;二是改變結(jié)構(gòu)形式。整車的輕量化涉及底盤總成、車身骨架,內(nèi)飾等各個(gè)總成的輕量化,本文在RW750轎車底盤的基礎(chǔ)上,主要針對(duì)新能源汽車FCV后懸架縱臂,在不增加成本的前提下,通過采用輕型材料和改變結(jié)構(gòu)形式的方法實(shí)現(xiàn)輕量化,以達(dá)到新能源汽車底盤系統(tǒng)輕量化的指標(biāo)。由于縱臂型材的限制,以及工藝方面的考慮,限制了改進(jìn)措施的范圍。為此在研究輕量化措施時(shí),必須對(duì)縱臂精確建模、精細(xì)分析,才能得到有效的結(jié)果。1強(qiáng)度分析后懸架縱臂原模型由項(xiàng)目合作公司提供,使用UG軟件建立,如圖1所示。1.1網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格優(yōu)化將后懸架縱臂三維模型通過igs格式導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化,利用HyperMesh的中面提取、幾何清理、網(wǎng)格劃分功能,得到有限元網(wǎng)格,并進(jìn)行網(wǎng)格檢查和優(yōu)化?？v臂是鑄造而成,體單元具有更高的精度,故選擇solid45單元來模擬。最終的有限元模型包含有21155個(gè)節(jié)點(diǎn),67635個(gè)單元。縱臂材料為鑄鋼,其彈性模量E=1.9×101.2計(jì)算所測(cè)載荷和變形為獲得縱臂強(qiáng)度計(jì)算所需的邊界條件及載荷,先利用ADAMS軟件建立整車虛擬樣機(jī),然后按給定工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。通過動(dòng)力學(xué)仿真,得到后懸架縱臂各連接點(diǎn)的最大載荷如表1所示。將后懸架縱臂的輪轂連接點(diǎn)進(jìn)行約束,并將車身、上橫臂以及下橫臂連接點(diǎn)的最大載荷乘以安全系數(shù)1.5后輸入ANSYS分析模塊,進(jìn)行受力分析。應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖3如示。位移和變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出,原后懸架縱臂最大應(yīng)力為264.137MPa,最大變形為3.688mm。由材料力學(xué)的計(jì)算公式可知,圓管的抗扭截面系數(shù):圓管的抗彎截面系數(shù):式中:D為圓管外徑,a為內(nèi)外徑比。公式(1)和(2)中可以看出,質(zhì)量一定時(shí),外徑越大,圓管的抗扭抗彎性能越好。所以將原后懸架縱臂的材料由鑄鋼改為鑄鋁合金后,在考慮到裝配時(shí)和其他零件干涉的情況下,縱臂的圓管結(jié)構(gòu)外徑不需要改動(dòng),只是圓管壁加厚,使得a變小,提高圓管的抗扭抗彎能力。所以盡管鋁合金的延伸率和變形較大,但通過增加管狀壁厚,并優(yōu)化局部結(jié)構(gòu),可以保證鋁合金縱臂的使用性能與原鋼制件相當(dāng)。2適當(dāng)加固鋁合金材料使用UG軟件建立新后懸架縱臂模型,將原后懸架縱臂圓管壁加厚,并將一些受力部位進(jìn)行適當(dāng)加粗加厚,以彌補(bǔ)將材料改為鋁合金后減弱的強(qiáng)度和剛度。新后懸架縱臂模型局部截面圖如圖5所示,圓管壁厚由原來的5mm增加到12mm。2.1有限元網(wǎng)格劃分同樣將新鋁合金后懸架縱臂三維模型通過igs格式導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分,選擇solid45單元來模擬。最終的有限元模型包含有27854個(gè)節(jié)點(diǎn),76581個(gè)單元。縱臂材料為鋁合金,其彈性模量E=7.9×102.2新鋁縱臂應(yīng)力分析將利用ADAMS軟件建立的虛擬樣機(jī)計(jì)算得到的后懸架縱臂各連接點(diǎn)的最大載荷乘以安全系數(shù)1.5后輸入ANSYS模塊,進(jìn)行受力分析。得到結(jié)果,鋁合金后懸架縱臂最大應(yīng)力為273.485MPa,最大變形為3.759mm。由計(jì)算結(jié)果可以看出,新鋁合金后懸架縱臂最大應(yīng)力和最大變形與原鑄鋼后懸架縱臂相比,相差無幾。這說明新鋁合金縱臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度的要求。對(duì)比結(jié)果見表2。3模型分析3.1anczes模態(tài)在自由模態(tài)分析中,釋放后懸架縱臂的全自由度,用BlockLanczos法進(jìn)行縱臂的模態(tài)計(jì)算。有限元共計(jì)算原鑄鋼和新鋁合金縱臂10階自由模態(tài),前6階固有頻率為0的都是剛體運(yùn)動(dòng),后4階為彈性變形模態(tài)。這4個(gè)彈性變形模態(tài)及對(duì)應(yīng)的固有頻率計(jì)算結(jié)果如表3所示。3.2彈性變形模態(tài)分析在約束模態(tài)分析中,設(shè)定后懸架縱臂自由度為零,用BlockLanczos法進(jìn)行縱臂的模態(tài)計(jì)算。有限元共計(jì)算原鑄鋼和新鋁合金縱臂前4階約束模態(tài),得出的四個(gè)彈性變形模態(tài)及對(duì)應(yīng)的固有頻率計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表3利表4的結(jié)果可以得出,原鑄鋼利新鋁合金后懸架縱臂分別作自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析時(shí),各階振型都對(duì)應(yīng)高頻振動(dòng),兩者情況類似。這表明新鋁合金后懸架縱臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足剛度的要求,不會(huì)引發(fā)共振。4疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析鋁合金后懸架縱臂零部件的工作應(yīng)力低于其材料的屈服強(qiáng)度,所承受的疲勞屬于高周疲勞。高周疲勞是指材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下,經(jīng)10金屬高周疲勞一般采用常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法,亦假設(shè)零件沒有初始裂紋,應(yīng)用金屬材料疲勞極限和S-N特性曲線(由標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)疲勞試驗(yàn)得到),再考慮零部件的幾何尺寸、形狀特點(diǎn)、表面狀況,應(yīng)力分布及引起的應(yīng)力集中等因素,進(jìn)而進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的有限元數(shù)值模擬分析。鋁合金后懸架縱臂屬性按某鋁合金廠對(duì)縱臂本體材料性能試驗(yàn)來沒置,并由疲勞試驗(yàn)結(jié)果得出鋁合金的S-N特性曲線,其離散對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系如表5所示。一般情況下,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N根據(jù)鋁合金后懸架縱臂應(yīng)力分布的有限元計(jì)算結(jié)果,第2487節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大。為全面起見,在應(yīng)力疲勞分析中考慮三個(gè)不同區(qū)域內(nèi)應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn),另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為3257和15874節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過ANSYS疲勞壽命數(shù)值模擬,所選擇的重要節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列出于表6。由計(jì)算結(jié)果可以看出,所選擇的重要節(jié)點(diǎn)均為零件區(qū)域應(yīng)力最大部位,其應(yīng)力水平大于其他節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力,允計(jì)循環(huán)次數(shù)達(dá)到105后懸架縱臂輕量化設(shè)計(jì)案例分析通過對(duì)參考車型和新能源汽車后懸架縱臂進(jìn)行強(qiáng)度,模態(tài)和疲勞壽命分析,得出以下結(jié)論:(1)首先應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了后懸架縱臂模型的構(gòu)建,并利用ANSYS進(jìn)行了有限元建模和受力分析計(jì)算。根據(jù)有限元的計(jì)算分析,表明后懸架縱臂的輕量化設(shè)計(jì)是滿足強(qiáng)度要求的;(2)然后對(duì)后懸架縱臂的模態(tài)和疲勞壽命進(jìn)行了分析計(jì)算,得出的結(jié)果表明后懸