基于強(qiáng)度與模態(tài)靈敏度分析的轎車前副車架輕量化設(shè)計_百度

1、第卷第期年月機(jī)械設(shè)計基于強(qiáng)度與模態(tài)靈敏度分析的轎車前副車架輕量化設(shè)計鄭松林，趙德彪，馮金芝，王有濤（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，上海理工大學(xué)機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評價重點(diǎn)實(shí)驗室，上海）摘要：根據(jù)轎車前副車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了前副車架有限元模型。在轉(zhuǎn)彎、制動、垂向沖擊和倒車種工況下對前副車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，然后分析與前副車架有關(guān)的各種擾動激勵頻率對前副車架振動特性的影響。根據(jù)長期研究，提出了前副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)評價原則，依據(jù)此原則，得到前階的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，最后確定出輕量化方案。關(guān)鍵詞：強(qiáng)度；模態(tài)靈敏度分析；前副車架；輕量化中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）某些轎車為了減輕

2、車架的質(zhì)量，盡可能做到輕量化，采用了半車架（副車架）。轎車前副車架不僅承受著動力總成的質(zhì)量，還受到來自于地面經(jīng)懸架組件傳遞的空間動載荷，設(shè)計和制造要求都很高。文中在對前副車架進(jìn)行輕量化設(shè)計之前，首先對原始前副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度與模態(tài)靈敏度分析，結(jié)合前副車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，對前副車架的輕量化潛能做出評估，然后進(jìn)行下一步的輕量化設(shè)計。前副車架建模與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析前副車架建模前副車架的大部分部件是薄板沖壓件，各個部件通過焊接或螺栓互相裝配在一起，裝配關(guān)系復(fù)雜，需要比較準(zhǔn)確的模擬各部分之間的連接關(guān)系。文中建立有劉春光，劉晶，高偉賢土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具布置原則解析礦山機(jī)械，（）：，（，）：，限元模型時，

3、根據(jù)副車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，焊接采用剛性單元把節(jié)點(diǎn)相連的方法，把不同零件焊接處的節(jié)點(diǎn)連接起來，并定義兩個相連節(jié)點(diǎn)具有相同的位移自由度。這種方法的好處是能夠減少結(jié)構(gòu)的自由度，降低建模時的復(fù)雜程度。前副車架連接擺臂和縱梁的螺栓采用梁單元進(jìn)行等效模擬。前副車架各零件材料特性見表。表材料特性參數(shù)參碧盯。彈性模量泊松比密霞槲弘（）載荷工況和邊界條件的確定零件輕量化設(shè)計的主要依據(jù)之一是其承受的載荷，轎車的載荷工況較為復(fù)雜，在強(qiáng)度分析時出于安弛”，：；”收稿日期：；修訂日期：基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（）；國家重大資助項目（）；上海市科委科研計劃資助項目（）：海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)資助

4、項目（）作者簡介：鄭松林（一），男，河南洛陽人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計理論與方法。萬方數(shù)據(jù)年月鄭松林，等：基于強(qiáng)度與模態(tài)靈敏度分析的轎車前副車架輕量化設(shè)計全考慮，不僅應(yīng)分析正常工況下的強(qiáng)度狀況，還必須考慮某些不經(jīng)常出現(xiàn)的極限工況下強(qiáng)度要求。根據(jù)長期的載荷測試經(jīng)驗和強(qiáng)度分析實(shí)踐，可以將載荷工況分為大類，靜態(tài)工況、耐久工況和惡劣工況舊。為了減小篇幅，文中僅介紹針對惡劣工況類中的個典型工況（即轉(zhuǎn)彎、制動、垂向沖擊和倒車）經(jīng)受縱向載荷、側(cè)向載荷和垂向載荷作用時的應(yīng)力、應(yīng)變、位移變形情況。為了保證前副車架總成與整車其他總成及零部件之間的協(xié)調(diào)和裝配關(guān)系，依據(jù)前副車架在車上的安裝及載

5、荷傳遞情況，確定前副車架三維模型的硬點(diǎn)作為前副車架設(shè)計控制點(diǎn)和有限元分析的加載位置。在有限元分析的過程中前副車架加載點(diǎn)為，點(diǎn)，約束點(diǎn)為，點(diǎn)。前副車架有限元模型和設(shè)計硬點(diǎn)如圖所示。圖前副車架有限元模型和設(shè)計硬點(diǎn)前副車架強(qiáng)度分析強(qiáng)度分析時，重點(diǎn)考察前副車架在種工況下的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力及其位置等幾個方面。經(jīng)過運(yùn)算，得到種工況下的應(yīng)力云圖，如圖所示。（）轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖：囂蘭筆麓。；。；口。，忡。氓。川（）垂向沖擊工況應(yīng)力云圖（）制動工況應(yīng)力云圖：揣：盟。，。裟器：簇篙非娶篙“。（）倒車工況應(yīng)力五圖圖前副車架種工況下應(yīng)力云圖通過運(yùn)算可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在制動工況下，為，前副車架各個工況下的最大應(yīng)力均小

6、于材料的屈服極限，前副車架結(jié)構(gòu)具有較大的輕量化潛力。同時各個工況下最大應(yīng)力點(diǎn)主要集中于左右擺臂及縱梁連接處，此為前副車架強(qiáng)度的一個薄弱環(huán)節(jié)，在輕量化設(shè)計時要給予著重考慮。前副車架模態(tài)靈敏度分析文中研究的前副車架作為轎車前艙重要的結(jié)構(gòu)承載件，直接與懸架系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、變速器、傳動系統(tǒng)、車身等部件相連接，車架的模態(tài)特性直接涉及轎車實(shí)際行駛時的動態(tài)響應(yīng)。前副車架自身的動態(tài)特性對整車的振動、噪聲、舒適性具有重要的影響。因此，在車架的設(shè)計過程中應(yīng)該確定合適的固有頻率的范圍，避免共振的發(fā)生。前副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)評價原則用模態(tài)分析的方法對副車架進(jìn)行模態(tài)評價，可驗證車架是否符合動力學(xué)特性，也可以找到影響汽車振動的因

7、素和解決方法。首先要弄清楚各種擾動頻率對各種振動方式的影響，才能進(jìn)行正確評價。以下考慮與前副車架有關(guān)的各種擾動激勵頻率的影響：本車型使用直列四缸發(fā)動機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為，因此可計算發(fā)動機(jī)的怠速激勵頻率，即發(fā)火階次頻率約為。發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速時主要干擾力最高頻率為，因此得到發(fā)動機(jī)的主要激振頻率范圍。經(jīng)懸架傳遞的路面激勵基脅刪甜雌刪拼啦們州刪枷鋤繅黧瓣黧一口；一橢輒玉一，柚：量舯唧們拼啦們州棚枷刪囊啪譽(yù)篆黧辮漂端一醛躲囂萬方數(shù)據(jù)機(jī)械設(shè)計第卷第期本上屬于低頻范圍，通過懸架傳遞的激勵頻率除個別點(diǎn)外一般在以下。整車的縱向、橫向和垂向頻率一般在以下，俯仰和側(cè)傾頻率一般在以下，車輛的橫擺頻率一般在以下。根據(jù)長期研究，

8、轎車前副車架的設(shè)計應(yīng)遵從如下原則：（）階模態(tài)頻率不低于；（）零部件對應(yīng)振型的固有頻率應(yīng)高于外部激勵激振頻率的；（）相鄰兩階頻率間隔不低于。前副車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析對前副車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，模態(tài)頻率及模態(tài)振型如表所示。表副車架模態(tài)各階頻率及振型模態(tài)頻率振型階扭轉(zhuǎn)階階縱向彎曲階擠壓階階橫向彎曲階局部模態(tài)階階彎曲根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以看出，前副車架在以下的自由模態(tài)沒有超過階，并且平滑連續(xù)沒有局部斷點(diǎn)，同時各階模態(tài)頻率之間間隔都大于，滿足設(shè)計的基本要求。依據(jù)分析結(jié)果前副車架階彎曲頻率，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動頻率，達(dá)到避開共振頻率以上的一般要求。汽車工作時的激勵頻率主要集中在低頻范圍一。，而行駛工況下的路面激勵也通

9、常集中在較低頻率，因此在低頻段發(fā)生共振的幾率會比較大。在后期對前副車架進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)該著重考慮調(diào)整前車架的階扭轉(zhuǎn)和階縱向彎曲頻率在合適的水平，并進(jìn)行前后的對比分析，這也是對原設(shè)計進(jìn)行模態(tài)計算的一個重要原因。前副車架模態(tài)靈敏度分析文中計算了該前副車架各部件單元厚度對前副車架結(jié)構(gòu)前階固有頻率的靈敏度。選取所有部件作為沒計變量進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析。由于該前副車架優(yōu)化前的模態(tài)已經(jīng)達(dá)到要求，這里分析的目的主要考察結(jié)構(gòu)之問的關(guān)系，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，以便在輕量化設(shè)計的過程中充分保證車架的模態(tài)頻率滿足使用要求，避免設(shè)計過程中的盲目性。在建立結(jié)構(gòu)模型時共有個獨(dú)立的部件，具體的零件編號如

10、圖所示。（）前副車架上蓋板（）前副車架內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)圖前副車架零件編號圖在實(shí)際計算時，采用差分靈敏度代替微分靈敏度的計算，也就是使各個部件的厚度依次變動，然后重新求解，從而計算出變動后的函數(shù)值。其中部件和，和以及一和分別為左右對稱件，在計算時同時進(jìn)行，并分別用。，代表各個部件的厚度。用表示各部件的厚度參數(shù)變化量，即，依次修改每一個部件厚度參數(shù)并重新進(jìn)行計算，得出單獨(dú)改變某一參數(shù)時對前車架固有頻率的影響，然后根據(jù)差分靈敏度計算公式得出前副車架前階固有頻率對各部件厚度參數(shù)的靈敏度，其數(shù)值如表所示，其中模態(tài)靈敏度的單位為。表前副車架各部件模態(tài)靈敏度值部件厚度模態(tài)階階。階階階階一萬方數(shù)據(jù)年月鄭松林，等

11、：基于強(qiáng)度與模態(tài)靈敏度分析的轎車前副車架輕量化設(shè)計由表叮以看出，對前副車架階扭轉(zhuǎn)固有頻率變化最敏感的部件分別是部件和，對階彎曲固有頻率變化最敏感的部件分別是部件和，在隨后的優(yōu)化設(shè)計中可以考慮對這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。其余部件對車架的階扭轉(zhuǎn)頻率和階彎曲頻率影響不大。部分部件的靈敏度為負(fù)值，這些部件的目標(biāo)值并不會隨著厚度的增加而增大，這說明并不是一味的增加零部件的厚度就可以提高零件的模態(tài)頻率。考慮結(jié)構(gòu)修改工藝和成本等影響因素，可考慮對大靈敏度部件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，同時應(yīng)該注意尺寸修改對前副車架質(zhì)量的影響和對剛度的影響之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。前副車架輕量化設(shè)計考慮到前副車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及實(shí)際的加工工藝，

12、選擇對前副車架模態(tài)靈敏度影響較大的零部件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，也就是把板厚作為設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)前面的靈敏度分析結(jié)果，選取對階扭轉(zhuǎn)頻率和階彎曲頻率靈敏度較大的部件（，）的板厚作為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量，以前副車架的質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以階扭轉(zhuǎn)頻率和階彎曲頻率為狀態(tài)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過次迭代，得到前副車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析結(jié)果，具體見表。表以輕量化為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化變量初值優(yōu)化結(jié)果目標(biāo)函數(shù)質(zhì)量階扭轉(zhuǎn)頻率狀態(tài)變量階彎曲頻率部件厚度設(shè)計變量部件厚度部件厚度優(yōu)化前后的前副車架質(zhì)量及階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和階彎曲模態(tài)的對比結(jié)果見表。表優(yōu)化前后前副車架質(zhì)量及模態(tài)頻率對比性能參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后變化量前副車架質(zhì)茸階扭轉(zhuǎn)頻率】階

13、彎曲頻率從表和表丁以看出，對前副車架關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化，對車架質(zhì)量的減小具有較大的空間，采用優(yōu)化后板厚的前副車架質(zhì)量減少，減重達(dá)。同時雖然低階模態(tài)頻率有所降低，但是階縱向彎曲模態(tài)頻率仍然遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動頻率值，達(dá)到避開共振頻率以上的一般要求。前副車架輕量化設(shè)計后強(qiáng)度校驗及模態(tài)對比分析前副車架輕量化設(shè)計后強(qiáng)度校驗最終輕量化設(shè)計后的前副車架要滿足沒計的強(qiáng)度要求，要對其進(jìn)行強(qiáng)度校驗，分析工況、載荷大小及邊界條件參照原始前副車架結(jié)構(gòu)分析過程，經(jīng)過重新計算，得到制動和垂直工況的應(yīng)力云圖如圖所示。；詈篙黧?！??！啊焙t芝？；。“。（）制動工況應(yīng)力云圖；蓄黑：；。，。孫。，。，；?！薄荆骸Ａ烤似?；鏊翟篙。（

14、）垂向沖擊工況應(yīng)力云圖圖輕量化后制動和垂直工況應(yīng)力云圖從應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，前副車架在制動工況下最大應(yīng)力由原來的降低為，使前副車架在制動工況下的強(qiáng)度得到提升；垂直工況下最大應(yīng)力由原來的提升為，使前副車架在垂直工況下的強(qiáng)度得到充分的利用。同時經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)后使前副車架各位置處的應(yīng)力分布更趨向于平均。上述結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計的前副車架強(qiáng)度水平和原前副車架基本相當(dāng)，能夠滿足使用要求。前副車架輕量化設(shè)計后模態(tài)對比分析為保證改進(jìn)設(shè)計后前副車架的模態(tài)特性，避免興振的發(fā)生，需要對改進(jìn)后的前副車架與原始前副車架萬方數(shù)據(jù)機(jī)械設(shè)計第卷第期的模態(tài)特性進(jìn)行對比分析，分析過程中的參數(shù)設(shè)置和原始前副車架相同，對比分析

15、結(jié)果見表。表輕量化設(shè)計后前副車架模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)原結(jié)構(gòu)頻率改進(jìn)后頻率振型階扭轉(zhuǎn)階階縱向彎曲階擠壓階階橫向彎曲階局部模態(tài)階階彎曲改進(jìn)后前副車架和原始前副車架模態(tài)對比結(jié)果顯示，改進(jìn)后前副車架模態(tài)振型和原始結(jié)構(gòu)前階模態(tài)振型基本一致，同時模態(tài)頻率大致相當(dāng)。雖然改進(jìn)后前副車架各階頻率有所降低，但是階縱向彎曲頻率仍然超過了設(shè)計要求的，且各階模態(tài)頻率連續(xù)無斷點(diǎn)，相鄰模態(tài)頻率的差距也超過，避免了相近的模態(tài)。同時改進(jìn)后前副車架模態(tài)振型和原始結(jié)構(gòu)基本相同，說明改進(jìn)后的前副車架模態(tài)滿足設(shè)計要求。結(jié)論與討論（）根據(jù)長期的研究，探索了一種強(qiáng)度和模態(tài)靈敏度分析相結(jié)合的汽車結(jié)構(gòu)部件輕量化設(shè)計方法，提出了部件設(shè)計時應(yīng)遵循的模態(tài)評價原則，該方法和原則可為其他部件輕量化設(shè)計提供參考。（）綜合考慮了零件的強(qiáng)度與模態(tài)對輕量化設(shè)計的指導(dǎo)作用，并以模態(tài)靈敏度作為主要參考指標(biāo)，使其為底盤結(jié)構(gòu)部件的輕量化設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)和決策參考，擁有很高的工程應(yīng)用價值。（）下一步應(yīng)對改進(jìn)后前副車架進(jìn)行試驗，依據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞耐久性、可靠性、模態(tài)等相關(guān)試驗，同時還需將改進(jìn)后前副車架裝車進(jìn)行整車試驗。參考文