基于有限元分析的前副车架轻量化设计

韦俊杰 蒙顺金

摘  要：为实现前副车架轻量化的优化设计，提出基于有限元分析的前副车架轻量化设计方法。结合结构、材料和工艺参数分析方法，建立前副车架的刚度、模态、碰撞参数检测模型，通过零部件模拟和零部件数据库信息融合分析，建立前副车架轻量化的有限元分析模型;分析车身刚度和各零部件厚度，建立前副车架轻量化设计路线下的弹性静力学有限元平衡分析模型;在车辆侧围结构变形吸能控制下，实现前副车架轻量化控制和动态有限元分析，提高车身前副车架的侧碰安全性。分析结果表明，采用设计方法进行前副车架轻量化设计，降低了车身重量的同时，安全性较好，为车身轻量化设计提供新思路。

关键词：有限元分析;前副车架;车辆侧围结构;工艺参数

中图分类号：U463            文献标识码：A

0  引言

随着车身结果的轻量化设计技术的发展，研究前副车架轻量化设计方法，构建前副车架轻量化结构参数分析模型，通过材料成型技术和汽车材料的优化设计，建立符合车身安全性的前副车架轻量化设计参数模型，减轻车身重量，提高车身的安全性，在车身内部结构的板件和支撑起车身结构零件设计中，通过建立汽车制造材料的结构性能参数分析模型，分析前副车架的车辆量化参数特征[1]，通过车身结构性能参数分析，进行结构性能的理论参数分析，提高汽车的车身的前副车架安全性，通过建立大梁结构的非承载式车身的有限元分析模型，结合车辆可靠性参数分析和设计，进行前副车架的结构性能优化设计，为前副车架的轻量化设计提供基础数据，从而为车身的安全检测和数据分析提供理论参数基础[2]。

对前副车架轻量化设计是建立在汽车车身结构分析基础上，结合车身覆盖件结构参数分析，进行车身优化结构分析，并依靠力学和数学理论分析，采用有限元分析的方法，实现前副车架轻量化。本文提出基于有限元分析的前副车架轻量化设计方法，结合结构、材料和工艺参数分析方法[3]，建立前副车架的刚度、模态、碰撞参数检测模型，通过零部件模拟和零部件数据库信息融合分析，建立前副车架轻量化的有限元分析模型，通过对车身刚度和各零部件厚度分析，建立前副车架轻量化设计路线下的弹性静力学有限元平衡分析模型，在车辆侧围结构变形吸能控制下，实现前副车架轻量化控制和动态有限元分析，采用有限元分析的方法，实现前副车架轻量化设计[4]，最后进行分析测试，展示了本文方法在提高前副车架轻量化设计效能方面的优越性能。

1前副车架结构参数分析

应轻量化开发需求，开展前副车架总成优化工作，根据优化前副车架原型数模和输入边界进行结构设计、性能对比分析。这次分析主要围绕着副车架本体及支架的强度、悬置支架的强度及刚度、模态进行分析。研究的零件分别为副车架本体、悬置支架、方向机支架、左右摆臂支架，材料牌号分别为WL510、WL510、WL510、QSTE420TM /4.0mm，约束与车身连接的四个固定点位置，分别在下摆臂前后安装点、稳定杆安装点以及转向机安装点施加载荷、悬置位置施加载荷，如图1。副车架相关材料参数见表1。

根据表2的参数配置，建立前副车架的刚度、模态、碰撞参数检测模型，通过零部件模拟和零部件数据库信息融合分析，根据断面基本形状和装配关系，建立前副车架轻量化的有限元分析模型，通过对车身刚度检测，得到刚度分布的均值和方差为：

（1）

（2）

其中， 表示车型造型结构应力参数，建立车身侧围结构的关键承载应力参数分析模型，车身侧碰安全性能监控的模态分量为：

（3）

其中， 为不同结构的点焊强度， 为相位参数， 为基本静 动态幅值，提取碰撞过程的能量参数，输出 为一组正整数，表示能量传递次数，综上分析，建立驱动旋转机械磨损状态，在身侧碰安全性能监控位置，得到对面域尺度振型状态分量N，公式为：

（4）

式中 为正整数，表示损伤程度， 为不同频段上的信息属性， 为前副车架的刚度， 为前副车架轻量化设计的材料参数， 为无损结构的模型参数。

2前副车架结构有限元分析设计

引入受力状态和几何参数分析，建立前副车架结构有限元参数分析模型，以截面受力状态、几何参数和材料屈服为基准变量，得到截面受力状态和几何参数：

（5）

其中， 为弹性模量调整参数， 为初始荷载， 为待定系数，于截面组合法建立了轴力分析模型，得到前副车架结构有限元分布下的向后制动工况参数为：

（6）

其中 为正整数， ， 为强轴向弯矩，建立应力误差分布函数为 。由此，得到剪力、扭矩和翘曲力矩的作用参数模型。综上分析，在车辆侧围结构变形吸能控制下，实现前副车架轻量化控制和动态有限元分析，提高车身前副车架的侧碰安全性。

3分析测试

分析中，采用ANLYSIS有限元分析软件，进行前副车架轻量化设计及安全性分析，模型参数设定如下：单元平均尺寸：8mm×8mm;網格数量：2.5万;模型质量： 20.1k;焊缝采用seam单元模拟，螺栓采用Rbe2单元模拟;约束条件：螺栓固定位置6自由度完全约束。建立的有限元模型见图2，测试得到不同结构部件的轻量化检测系数见表3。

在此基础上，得到优化前后的有限元分析结果如图3所示。

分析图3得知，本文方法能有效实现前副车架轻量化设计，该副车架重量从25.07降到20.1，减重4.97kg，降幅达19.8%，轻量化效果明显。

副车架强度分析结果：副车架优化前后对比分析应力云图如图4所示。

通过副车架本体对比分析应力云图得到，优化前后应力有所下降、PEEQ降低，副车架本体有限元分析结果见表4。通过副车架悬置对比分析应力云图，副车架悬置强度有限元分析结果见表5。

副车架模态对比分析结果：副车架优化前后对比分析模态阵型图如图5所示.

通过副车架模态对比分析阵型图得到，优化前副车架模态有限元分析结果如表6。

分析表4、表5和表6结果得知，采用该方法进行前副车架轻量化设计，降低了重量的同时，提高了性能。

4结语

建立汽车制造材料的结构性能参数分析模型，分析前副车架的车辆量化参数特征，通过结构性能参数分析，进行结构性能的理论参数分析，提高汽车的前副车架性能的同时降低了重量。有限元分析结果表明，本文方法降低了前副车架重量，提高了前副车架性能，轻量化效果明显，重量降幅19.8%。

参考文献

[1]张捷.UG软件在汽车车身CAD建模中的使用[J].内燃机与配件，2021（19）：206-207.

[2]史涛，刘翥寰，高忠林，田增泰，于世宝.汽车车身铝合金点焊的特点及对焊接设备的要求[J].焊接技术，2021，50（09）：120-123.

[3]田萌.多材料结构汽车车身的轻量化设计研究[J].汽车实用技术，2021，46（17）：134-136.

[4]李军，刘鑫，曹广祥，张林阳.汽车车身高强度钢的应用发展及挑战[J].汽车工艺与材料，2021（08）：1-6.

作者简介：韦俊杰（1972-），男，壮，广西平果，高级工程师，学士，从事汽车产品研发