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新能源汽车底盘纵臂的轻量化设计

利用ANSYS软件,对参考车和新能源汽车FCV后悬架纵臂进行有限元建模。根据铝合金材料的机械与工艺特性,提出了纵臂的结构轻量化设计方案。在此基础上,分别进行了强度、模态和疲劳寿命分析。在不降低性能的前提下,纵臂各项性能数值模拟结果的对比分析表明,当前的结构和材料轻量化设计是合理可行的。

新能源汽车对于缓解和解决尾气排放问题以及车用燃油短缺问题具有很大意义,但与参考车型相比,因动力电池与储能系统重量较重,整车增重较多。因此,开展新能源汽车轻量化技术研发已成为十分必要的课题。

结构件轻量化的途径一般有两条:一是采用轻型材料;二是改变结构形式。整车的轻量化涉及底盘总成、车身骨架,内饰等各个总成的轻量化,本文在RW750轿车底盘的基础上,主要针对新能源汽车FCV后悬架纵臂,在不增加成本的前提下,通过采用轻型材料和改变结构形式的方法实现轻量化,以达到新能源汽车底盘系统轻量化的指标。由于纵臂型材的限制,以及工艺方面的考虑,限制了改进措施的范围。为此在研究轻量化措施时,必须对纵臂精确建模、精细分析,才能得到有效的结果。

1 强度分析

后悬架纵臂原模型由项目合作公司提供,使用CATIA软件建立,如图1所示。

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图1 后悬架纵臂3D模型

1.1 划分有限元网格

将后悬架纵臂三维模型通过igs格式导入前处理软件HyperMesh中进行结构的离散化,利用HyperMesh的中面提取、几何清理、网格划分功能,得到有限元网格,并进行网格检查和优化。纵臂是铸造而成,体单元具有更高的精度,故选择solid45单元来模拟。*终的有限元模型包含有21 155个节点,67 635个单元。纵臂材料为铸钢,其弹性模量E=1.9×10 MPa,泊松比 =0.33,密度为7 800 ks/rn 。从HyperMesh中通过cdb或inp格式导入ANSYS软件中,形成的有限元模型如图2所示。

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图2 后悬架纵臂有限元模型

2 结构轻量化设计

使用CATIA软件建立新后悬架纵臂模型,将原后悬架纵臂圆管壁加厚,并将一些受力部位进行适当加粗加厚,以弥补将材料改为铝合金后减弱的强度和刚度。新后悬架纵臂模型局部截面图如图5所示,圆管壁厚由原来的5 mm增加到12 mm。

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图5新后悬架纵臂局部截面

2.1 划分有限元网格

同样将新铝合金后悬架纵臂三维模型通过igs格式导入前处理软件HyperMesh中进行有限元网格的划分,选择sol—id45单元来模拟。*终的有限元模型包含有27 854个节点,

76 581个单元。纵臂材料为铝合金,其弹性模量E=7.9×10 MPa,泊松比 =0.33,密度为2 800 ks/m 。

2.2 边界条件和载荷分析

将利用ADAMS软件建立的虚拟样机计算得到的后悬架纵臂各连接点的**载荷乘以安全系数1.5后输入ANSYS模块,进行受力分析。得到结果,铝合金后悬架纵臂**应力为273.485 MPa,**变形为3.759 mm。由计算结果可以看出,新铝合金后悬架纵臂**应力和**变形与原铸钢后悬架纵臂相比,相差无几。这说明新铝合金纵臂的结构设计满足强度的要求。对比结果见表2。

表2**应力与**变形对比

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3 模态分析

3.1 自由模态分析

在自由模态分析中,释放后悬架纵臂的全自由度,用Block Lanczos法进行纵臂的模态计算。有限元共计算原铸钢和新铝合金纵臂10阶自由模态,前6阶固有频率为0的都是刚体运动,后4阶为弹性变形模态。这4个弹性变形模态及对应的固有频率计算结果如表3所示。

表3纵臂自由模态对应振型与频率(Hz)计算结果

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3.2 约束模态分析

在约束模态分析中,设定后悬架纵臂自由度为零,用BlockLanczos法进行纵臂的模态计算。有限元共计算原铸钢和新铝合金纵臂前4阶约束模态,得出的四个弹性变形模态及对应的固有频率计算结果如表4所示。

表4 纵臂约束横态对应振型与频率(Hz)计算结果

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由表3利表4的结果可以得出,原铸钢利新铝合金后悬架纵臂分别作自由模态分析和约束模态分析时,各阶振型都对应高频振动,两者情况类似。这表明新铝合金后悬架纵臂的结构设计满足刚度的要求,不会引发共振。

4 疲劳寿命分析

铝合金后悬架纵臂零部件的工作应力低于其材料的屈服强度,所承受的疲劳属于高周疲劳。高周疲劳是指材料在低于其屈服强度的循环应力作用下,经l0 以上循环次数而产生的疲劳。金属高周疲劳一般采用常规疲劳设计方法,亦假设零件没有初始裂纹,应用金属材料疲劳极限和s一Ⅳ特性曲线(由标准试样经疲劳试验得到),再考虑零部件的几何尺寸、形状特点、表面状况,应力分布及引起的应力集中等因素,进而进行疲劳强度的有限元数值模拟分析。铝合金后悬架纵臂属性按某铝合金厂对纵臂本体材料性能试验来没置,并由疲劳试验结果得出铝合金的s Ⅳ特性曲线,其离散对应函数关系如表5所示。

表5 铝合金S-N特性曲线的离散对应函数关系

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一般情况下,应力循环次数 等于在车辆设计寿命期间的车轮总转数,设计要求应力循环次数达到一百万次。在铝合金后悬架纵臂疲劳寿命的分析中,选取应力循环数为1O 次并代入ANSYS的疲劳分析模块中。根据铝合金后悬架纵臂应力分布的有限元计算结果,第2 487节点的应力**。为全面起见,在应力疲劳分析中考虑三个不同区域内应力**的节点,另外两个节点分别为3 257和15 874节点。

经过ANSYS疲劳寿命数值模拟,所选择的重要节点的疲劳强度计算结果列出于表6。

表6 三个区域**应力节点的疲劳寿命计算结果

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由计算结果可以看出,所选择的重要节点均为零件区域应力**部位,其应力水平大于其他节点上的应力,允计循环次数达到10 ,超过设计循环次数l0。的要求。因此,这些应力集中节点能够满足安全工作条件。由此可知,铝合金后悬架纵臂亦可以安全工作并满足疲劳强度设计要求。

5 结 论

通过对参考车型和新能源汽车后悬架纵臂进行强度,模态和疲劳寿命分析,得出以下结论:

(1)首先应用软件进行了后悬架纵臂模型的构建,并利用ANSYS进行了有限元建模和受力分析计算。根据有限元的计算分析,表明后悬架纵臂的轻量化设计是满足强度要求的;

(2)然后对后悬架纵臂的模态和疲劳寿命进行了分析计算,得出的结果表明后悬架纵臂轻量化设计方案的合理性与可行性;

(3)后悬架纵臂质量由材料为铸钢时的9.90kg减少到材料为铝合金时的7.O5 kg,减重率达28.79% ,达到了设计要求,证明采用有限元分析手段进行优化设计,进行强度校核,甚至缩短开发周期,研制新产品都是可行的。

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