轎車后懸架扭轉(zhuǎn)梁輕量化設(shè)計(jì)研究

轎車后懸架扭轉(zhuǎn)梁輕量化設(shè)計(jì)研究

0扭轉(zhuǎn)梁傳統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)方法為了滿足節(jié)能和環(huán)保的要求，輕量化已成為汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。后懸架扭轉(zhuǎn)梁是轎車底盤重要的承載件,在汽車行駛過(guò)程中承受來(lái)自路面和車身之間三個(gè)方向的作用力和力矩,對(duì)于汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和NVH等整車性能都有重要影響,特別是輕量化設(shè)計(jì)通常會(huì)提高其結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平,降低疲勞壽命,對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)等性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)方法主要以質(zhì)量最小為目標(biāo),以剛度和低階模態(tài)為約束條件,進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證輕量化結(jié)果的可靠性本文以某轎車后懸架扭轉(zhuǎn)梁為研究對(duì)象,基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立考慮后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成柔性的整車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型,通過(guò)扭轉(zhuǎn)梁總成自由模態(tài)試驗(yàn)和整車行駛平順性實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證所建整車剛?cè)狁詈夏Ｐ偷恼_性。根據(jù)汽車試驗(yàn)場(chǎng)耐久性試驗(yàn)工況,建立典型耐久性強(qiáng)化路面模型,進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到扭轉(zhuǎn)梁柔性體模態(tài)位移時(shí)間歷程,通過(guò)模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)的方法提取扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力時(shí)間歷程,并采用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命分析。綜合考慮質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)等性能之間的耦合關(guān)系,基于網(wǎng)格變形技術(shù)和近似模型理論,采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行多目標(biāo)形狀優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)后懸架扭轉(zhuǎn)梁輕量化設(shè)計(jì)。1整輛車的剛?cè)徇B接模型1.1扭轉(zhuǎn)梁總成模態(tài)分析與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成有限元建模時(shí),先將其三維模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中,然后選用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共離散為25913個(gè)單元和26380個(gè)節(jié)點(diǎn),得到該扭轉(zhuǎn)梁有限元模型如圖1所示。采用Lanczos法對(duì)建立的扭轉(zhuǎn)梁總成有限元模型在無(wú)約束自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析,提取其前6階固有頻率和模態(tài)振型,并與自由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?；谠囼?yàn)?zāi)B(tài)分析理論,采用單輸入/多輸出識(shí)別法對(duì)扭轉(zhuǎn)梁總成進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)橡皮軟繩將扭轉(zhuǎn)梁總成懸吊起來(lái),使其處于如圖2所示的自由狀態(tài),采用力錘施加脈沖激振力,利用三向振動(dòng)加速度傳感器拾取扭轉(zhuǎn)梁總成各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào),扭轉(zhuǎn)梁總成上各測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。將扭轉(zhuǎn)梁總成前6階非剛體自由模態(tài)頻率和振型的仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。從表1中可見(jiàn),扭轉(zhuǎn)梁總成前6階模態(tài)振型一致,固有頻率的仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果比較接近,最大相對(duì)誤差小于4%,說(shuō)明該扭轉(zhuǎn)梁總成有限元模型是準(zhǔn)確合理的。1.2扭轉(zhuǎn)梁柔性體建模由于有限元模型自由度數(shù)目龐大,在建立柔性體模型時(shí),采用模態(tài)綜合法對(duì)有限元模型進(jìn)行超單元分析,并定義超單元與其他部件連接的外部節(jié)點(diǎn),通過(guò)主模態(tài)和約束模態(tài)組成的超單元假設(shè)模態(tài)代替原完備模態(tài),生成可用于多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的柔性體模型利用Adams軟件建立整車剛?cè)狁詈夏Ｐ蜁r(shí),將扭轉(zhuǎn)梁總成柔性體模型導(dǎo)入到后懸架子系統(tǒng)中,通過(guò)外部節(jié)點(diǎn)完成與其他部件的約束連接。按照各子系統(tǒng)間的拓?fù)潢P(guān)系,將車身、前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系和輪胎等子系統(tǒng)模型通過(guò)通訊器完成相互之間的裝配連接,最后得到轎車整車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型如圖5所示。1.3懸架振動(dòng)加速度均方根值與車速的關(guān)系使整車剛?cè)狁詈夏Ｐ驮跐M載狀態(tài)下分別以20、40、60、80、100、120km/h的車速在構(gòu)建的B級(jí)路面上勻速行駛,進(jìn)行整車行駛平順性仿真分析,提取駕駛員座椅處車身地板的振動(dòng)加速度響應(yīng),并與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》中規(guī)定的加權(quán)加速度均方根值計(jì)算方法,計(jì)算出駕駛員座椅處地板振動(dòng)的總加權(quán)加速度均方根值隨車速變化的仿真和試驗(yàn)結(jié)果,如圖6所示。從圖6可以看出,隨著車速的增加駕駛員座椅地板處總加權(quán)加速度均方根值的仿真和試驗(yàn)結(jié)果均呈逐漸增大的趨勢(shì);兩者的變化趨勢(shì)基本一致,數(shù)值上略有差別,最大相對(duì)誤差小于9.7%,從而驗(yàn)證了所建整車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型的正確性,能夠用于后懸架扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命研究。2干預(yù)梁的總疲勞壽命分析2.1局部約束模型在整車剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?扭轉(zhuǎn)梁總成柔性體模型的彈性位移可通過(guò)模態(tài)矢量和模態(tài)坐標(biāo)的線性組合來(lái)表示式中:(x,y,z)為局部坐標(biāo)系在總體坐標(biāo)系中的位置;(Φue788,θ,φ)為局部坐標(biāo)系在總體坐標(biāo)系中的歐拉角;ξ模型的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程為:式中:M、K、C分別為扭轉(zhuǎn)梁總成柔性體的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣;G為重力;λ為約束方程的拉格朗日乘子;Q為廣義力矩陣。求解式(2)可得q,進(jìn)而得到模態(tài)位移矢量Φ及其各階模態(tài)位移ξ式中:E通過(guò)式(3)求解得到柔性體節(jié)點(diǎn)應(yīng)力σ和反作用力F的時(shí)間歷程,可作為結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析的載荷譜。2.2扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力路徑模型汽車試驗(yàn)場(chǎng)的耐久性試驗(yàn)道路包括比利時(shí)路、鵝卵石路、扭曲路、搓板路等典型路面,可進(jìn)行汽車的疲勞強(qiáng)化試驗(yàn),大幅縮短汽車耐久性試驗(yàn)周期使整車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型在滿載工況下以50km/h的車速在耐久性強(qiáng)化試驗(yàn)路面上行駛,進(jìn)行整車耐久性仿真分析,計(jì)算時(shí)間為11.5s,對(duì)應(yīng)的行駛里程約為160m。提取扭轉(zhuǎn)梁總成柔性體模型各階模態(tài)位移的時(shí)間歷程,并采用模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法得到扭轉(zhuǎn)梁總成模型各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。圖8給出了扭轉(zhuǎn)梁總成柔性體模型的第2階模態(tài)位移時(shí)間歷程,圖9為某時(shí)刻扭轉(zhuǎn)梁總成應(yīng)力分布圖,圖10是應(yīng)力集中處某節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。由圖10可見(jiàn),仿真過(guò)程中該節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值為281.06MPa,出現(xiàn)在時(shí)間歷程的1.56s處(鵝卵石路面),仿真得到的后懸架扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力時(shí)間歷程可用于疲勞壽命預(yù)測(cè)。2.3變幅載荷疲勞壽命和疲勞損傷理論汽車后懸架扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)的疲勞失效通常為低載高周疲勞破壞,一般采用名義應(yīng)力法(S-N法)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算,該方法通過(guò)S-N曲線將疲勞壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系描述為式中:σS-N曲線一般通過(guò)零均值載荷下的疲勞試驗(yàn)測(cè)取,而汽車扭轉(zhuǎn)梁總成結(jié)構(gòu)所受載荷歷程通常為非零均值隨機(jī)載荷,可采用Goodman法對(duì)非等幅應(yīng)力進(jìn)行修正,即:式中:σ基于Palmgren-Miner線性疲勞損傷累計(jì)理論,變幅載荷下零部件的疲勞損傷和疲勞壽命分別定義為:式中:k為變幅載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù);n基于上述理論方法,在MSC.Fatigue軟件中創(chuàng)建后懸架扭轉(zhuǎn)梁材料的S-N曲線,設(shè)置存活率為95%,將整車動(dòng)力學(xué)仿真獲得的扭轉(zhuǎn)梁應(yīng)力時(shí)間歷程導(dǎo)入,采用名義應(yīng)力法計(jì)算后懸架扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命,并選擇Goodman法修正平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響,得到扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命云圖如圖11所示。由圖11可看出,扭轉(zhuǎn)梁最小疲勞壽命出現(xiàn)在橫梁與縱臂連接處,即圖中位置P處,最小循環(huán)壽命值為1.24×10汽車在用戶路面行駛時(shí),扭轉(zhuǎn)梁的疲勞壽命里程可通過(guò)強(qiáng)化路面的強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算得到,強(qiáng)化系數(shù)定義為式中:K為強(qiáng)化系數(shù);L組合強(qiáng)化路面的綜合強(qiáng)化系數(shù)可定義為:式中:K本文所建立的強(qiáng)化組合路面模型包括3種強(qiáng)化路面,根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知鵝卵石路、搓板路和比利時(shí)路的強(qiáng)化系數(shù)分別為5.8、4.9和12.6,根據(jù)式(8)和各強(qiáng)化路面所占比例,可得組合強(qiáng)化路面的強(qiáng)化系數(shù)為5.8×0.25+4.9×0.25+12.6×0.5=9.0。因此扭轉(zhuǎn)梁最小疲勞壽命為19840×9=178560km,滿足耐久性道路試驗(yàn)中汽車零部件疲勞壽命大于100000km的要求3干預(yù)梁的整體設(shè)計(jì)3.1扭轉(zhuǎn)梁總成參數(shù)化模型基于網(wǎng)格變形技術(shù),采用商業(yè)軟件DEPMeshworks/Morpher建立后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成參數(shù)化模型,定義6個(gè)形狀變量和3個(gè)厚度變量(記為x3.2最優(yōu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為提高優(yōu)化效率,采用Kriging近似模型代替仿真模型來(lái)表達(dá)各設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)之間的關(guān)系,根據(jù)最優(yōu)拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在每個(gè)設(shè)計(jì)變量取值范圍內(nèi)均勻隨機(jī)采樣,參考各設(shè)計(jì)變量取值范圍和擬合精度要求選取81個(gè)樣本點(diǎn)擬合各響應(yīng)的Kriging近似模型?？赏ㄟ^(guò)決定系數(shù)R式中:n為用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途鹊臄?shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量;?決定系數(shù)R3.3扭轉(zhuǎn)梁總疲勞性能綜合考慮質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)等性能指標(biāo),對(duì)后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成進(jìn)行輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可描述為:式中:m(x)為后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成質(zhì)量;N(x)為扭轉(zhuǎn)梁總成的最小疲勞壽命;k將各性能指標(biāo)計(jì)算組件集成到多學(xué)科優(yōu)化分析平臺(tái)Isight軟件中,選擇粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法,建立基于Kriging近似模型的后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成輕量化多目標(biāo)優(yōu)化分析模型,如圖14所示。3.4扭轉(zhuǎn)梁總成輕量化設(shè)計(jì)仿真分析定義粒子群算法的粒子群規(guī)模為80,迭代的代數(shù)為120,優(yōu)化得到Pareto前沿如圖15所示。由圖15可知,后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成的質(zhì)量和疲勞壽命兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間是相互矛盾的,其中一個(gè)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)要以犧牲另外一個(gè)目標(biāo)函數(shù)為代價(jià)。由于是針對(duì)扭轉(zhuǎn)梁總成的輕量化研究,在保證扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),盡量使扭轉(zhuǎn)梁總成質(zhì)量最小,因此選擇Pareto前沿中滿足扭轉(zhuǎn)梁總成疲勞壽命要求且使其質(zhì)量相對(duì)較小的解作為最優(yōu)解,根據(jù)工程實(shí)際對(duì)設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正,得到優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量具體數(shù)值如表3所示。為驗(yàn)證后懸架扭轉(zhuǎn)梁輕量化效果,將設(shè)計(jì)變量修正值賦予仿真模型,計(jì)算扭轉(zhuǎn)梁各項(xiàng)性能指標(biāo),并與優(yōu)化前的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。圖16給出了扭轉(zhuǎn)梁總成輕量化設(shè)計(jì)后疲勞壽命云圖。由表4和圖16可知,通過(guò)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對(duì)Kriging近似模型進(jìn)行迭代尋優(yōu),使得后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成質(zhì)量降低了3.77kg,比初始設(shè)計(jì)減少質(zhì)量20.35%,輕量化效果比較明顯。同時(shí),扭轉(zhuǎn)梁一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和扭轉(zhuǎn)剛度變化不大,最小疲勞壽命為8.22×104扭轉(zhuǎn)梁勞動(dòng)壽命分析(1)以某轎車后懸架扭轉(zhuǎn)梁總成為研究對(duì)象,建立了考慮扭轉(zhuǎn)梁總成柔性的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?并通過(guò)扭轉(zhuǎn)梁總成自由模態(tài)試驗(yàn)和整車行駛平順性實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的正確性。(2)構(gòu)建了汽車試驗(yàn)場(chǎng)耐久性強(qiáng)化路面模型,通過(guò)整車動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到了扭