基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计_百度

1、第卷第期年月机械设计基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计郑松林，赵德彪，冯金芝，王有涛（上海理工大学机械工程学院，上海，上海理工大学机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室，上海）摘要：根据轿车前副车架的结构特点，建立了前副车架有限元模型。在转弯、制动、垂向冲击和倒车种工况下对前副车架进行强度分析，然后分析与前副车架有关的各种扰动激励频率对前副车架振动特性的影响。根据长期研究，提出了前副车架结构模态评价原则，依据此原则，得到前阶的模态频率和模态振型，最后确定出轻量化方案。关键词：强度；模态灵敏度分析；前副车架；轻量化中图分类号：文献标识码：文章编号：（）某些轿车为了减轻

2、车架的质量，尽可能做到轻量化，采用了半车架（副车架）。轿车前副车架不仅承受着动力总成的质量，还受到来自于地面经悬架组件传递的空间动载荷，设计和制造要求都很高。文中在对前副车架进行轻量化设计之前，首先对原始前副车架结构进行强度与模态灵敏度分析，结合前副车架的结构特点和使用工况，对前副车架的轻量化潜能做出评估，然后进行下一步的轻量化设计。前副车架建模与结构强度分析前副车架建模前副车架的大部分部件是薄板冲压件，各个部件通过焊接或螺栓互相装配在一起，装配关系复杂，需要比较准确的模拟各部分之间的连接关系。文中建立有刘春光，刘晶，高伟贤土压平衡盾构机刀具布置原则解析矿山机械，（）：，（，）：，限元模型时，

3、根据副车架结构特点，选择壳单元进行网格划分，焊接采用刚性单元把节点相连的方法，把不同零件焊接处的节点连接起来，并定义两个相连节点具有相同的位移自由度。这种方法的好处是能够减少结构的自由度，降低建模时的复杂程度。前副车架连接摆臂和纵梁的螺栓采用梁单元进行等效模拟。前副车架各零件材料特性见表。表材料特性参数参碧盯。弹性模量泊松比密霞槲弘（）载荷工况和边界条件的确定零件轻量化设计的主要依据之一是其承受的载荷，轿车的载荷工况较为复杂，在强度分析时出于安弛”，：；”收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；国家重大资助项目（）；上海市科委科研计划资助项目（）：海市科委基础研究重点资助

4、项目（）作者简介：郑松林（一），男，河南洛阳人，教授，博士生导师，博士，研究方向：汽车现代设计理论与方法。万方数据年月郑松林，等：基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计全考虑，不仅应分析正常工况下的强度状况，还必须考虑某些不经常出现的极限工况下强度要求。根据长期的载荷测试经验和强度分析实践，可以将载荷工况分为大类，静态工况、耐久工况和恶劣工况旧。为了减小篇幅，文中仅介绍针对恶劣工况类中的个典型工况（即转弯、制动、垂向冲击和倒车）经受纵向载荷、侧向载荷和垂向载荷作用时的应力、应变、位移变形情况。为了保证前副车架总成与整车其他总成及零部件之间的协调和装配关系，依据前副车架在车上的安装及载

5、荷传递情况，确定前副车架三维模型的硬点作为前副车架设计控制点和有限元分析的加载位置。在有限元分析的过程中前副车架加载点为，点，约束点为，点。前副车架有限元模型和设计硬点如图所示。图前副车架有限元模型和设计硬点前副车架强度分析强度分析时，重点考察前副车架在种工况下的应力分布、最大应力及其位置等几个方面。经过运算，得到种工况下的应力云图，如图所示。（）转弯工况应力云图：嚣兰笔麓。；。；口。，忡。氓。川（）垂向冲击工况应力云图（）制动工况应力云图：揣：盟。，。裟器：簇篙非娶篙“。（）倒车工况应力五图图前副车架种工况下应力云图通过运算可知，最大应力出现在制动工况下，为，前副车架各个工况下的最大应力均小

6、于材料的屈服极限，前副车架结构具有较大的轻量化潜力。同时各个工况下最大应力点主要集中于左右摆臂及纵梁连接处，此为前副车架强度的一个薄弱环节，在轻量化设计时要给予着重考虑。前副车架模态灵敏度分析文中研究的前副车架作为轿车前舱重要的结构承载件，直接与悬架系统、发动机、变速器、传动系统、车身等部件相连接，车架的模态特性直接涉及轿车实际行驶时的动态响应。前副车架自身的动态特性对整车的振动、噪声、舒适性具有重要的影响。因此，在车架的设计过程中应该确定合适的固有频率的范围，避免共振的发生。前副车架结构模态评价原则用模态分析的方法对副车架进行模态评价，可验证车架是否符合动力学特性，也可以找到影响汽车振动的因

7、素和解决方法。首先要弄清楚各种扰动频率对各种振动方式的影响，才能进行正确评价。以下考虑与前副车架有关的各种扰动激励频率的影响：本车型使用直列四缸发动机，怠速转速为，因此可计算发动机的怠速激励频率，即发火阶次频率约为。发动机额定转速时主要干扰力最高频率为，因此得到发动机的主要激振频率范围。经悬架传递的路面激励基胁删甜雌删拼啦们州删枷锄缫黧瓣黧一口；一椭辄玉一，柚：量舯唧们拼啦们州棚枷删囊啪誉篆黧辫漂端一醛躲嚣万方数据机械设计第卷第期本上属于低频范围，通过悬架传递的激励频率除个别点外一般在以下。整车的纵向、横向和垂向频率一般在以下，俯仰和侧倾频率一般在以下，车辆的横摆频率一般在以下。根据长期研究，

8、轿车前副车架的设计应遵从如下原则：（）阶模态频率不低于；（）零部件对应振型的固有频率应高于外部激励激振频率的；（）相邻两阶频率间隔不低于。前副车架结构模态分析对前副车架进行自由模态分析，模态频率及模态振型如表所示。表副车架模态各阶频率及振型模态频率振型阶扭转阶阶纵向弯曲阶挤压阶阶横向弯曲阶局部模态阶阶弯曲根据模态分析结果可以看出，前副车架在以下的自由模态没有超过阶，并且平滑连续没有局部断点，同时各阶模态频率之间间隔都大于，满足设计的基本要求。依据分析结果前副车架阶弯曲频率，发动机转矩脉动频率，达到避开共振频率以上的一般要求。汽车工作时的激励频率主要集中在低频范围一。，而行驶工况下的路面激励也通

9、常集中在较低频率，因此在低频段发生共振的几率会比较大。在后期对前副车架进行模态灵敏度分析及优化设计时，应该着重考虑调整前车架的阶扭转和阶纵向弯曲频率在合适的水平，并进行前后的对比分析，这也是对原设计进行模态计算的一个重要原因。前副车架模态灵敏度分析文中计算了该前副车架各部件单元厚度对前副车架结构前阶固有频率的灵敏度。选取所有部件作为没计变量进行模态灵敏度分析。由于该前副车架优化前的模态已经达到要求，这里分析的目的主要考察结构之问的关系，为后续的优化设计提供依据，以便在轻量化设计的过程中充分保证车架的模态频率满足使用要求，避免设计过程中的盲目性。在建立结构模型时共有个独立的部件，具体的零件编号如

10、图所示。（）前副车架上盖板（）前副车架内部加强筋结构图前副车架零件编号图在实际计算时，采用差分灵敏度代替微分灵敏度的计算，也就是使各个部件的厚度依次变动，然后重新求解，从而计算出变动后的函数值。其中部件和，和以及一和分别为左右对称件，在计算时同时进行，并分别用。，代表各个部件的厚度。用表示各部件的厚度参数变化量，即，依次修改每一个部件厚度参数并重新进行计算，得出单独改变某一参数时对前车架固有频率的影响，然后根据差分灵敏度计算公式得出前副车架前阶固有频率对各部件厚度参数的灵敏度，其数值如表所示，其中模态灵敏度的单位为。表前副车架各部件模态灵敏度值部件厚度模态阶阶。阶阶阶阶一万方数据年月郑松林，等

11、：基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计由表叮以看出，对前副车架阶扭转固有频率变化最敏感的部件分别是部件和，对阶弯曲固有频率变化最敏感的部件分别是部件和，在随后的优化设计中可以考虑对这些关键零部件进行有针对性的改进。其余部件对车架的阶扭转频率和阶弯曲频率影响不大。部分部件的灵敏度为负值，这些部件的目标值并不会随着厚度的增加而增大，这说明并不是一味的增加零部件的厚度就可以提高零件的模态频率。考虑结构修改工艺和成本等影响因素，可考虑对大灵敏度部件进行尺寸优化，同时应该注意尺寸修改对前副车架质量的影响和对刚度的影响之间的协调关系。前副车架轻量化设计考虑到前副车架结构的特点及实际的加工工艺，

12、选择对前副车架模态灵敏度影响较大的零部件进行尺寸优化，也就是把板厚作为设计变量进行优化设计。根据前面的灵敏度分析结果，选取对阶扭转频率和阶弯曲频率灵敏度较大的部件（，）的板厚作为优化设计的设计变量，以前副车架的质量最轻为目标函数，以阶扭转频率和阶弯曲频率为状态变量进行优化设计，经过次迭代，得到前副车架结构的优化分析结果，具体见表。表以轻量化为目标的优化结果优化变量初值优化结果目标函数质量阶扭转频率状态变量阶弯曲频率部件厚度设计变量部件厚度部件厚度优化前后的前副车架质量及阶扭转模态和阶弯曲模态的对比结果见表。表优化前后前副车架质量及模态频率对比性能参数优化前优化后变化量前副车架质茸阶扭转频率】阶

13、弯曲频率从表和表丁以看出，对前副车架关键部位进行优化，对车架质量的减小具有较大的空间，采用优化后板厚的前副车架质量减少，减重达。同时虽然低阶模态频率有所降低，但是阶纵向弯曲模态频率仍然远高于发动机转矩脉动频率值，达到避开共振频率以上的一般要求。前副车架轻量化设计后强度校验及模态对比分析前副车架轻量化设计后强度校验最终轻量化设计后的前副车架要满足没计的强度要求，要对其进行强度校验，分析工况、载荷大小及边界条件参照原始前副车架结构分析过程，经过重新计算，得到制动和垂直工况的应力云图如图所示。；詈篙黧。“。“”篓芝？；。“。（）制动工况应力云图；蓄黑：；。，。孙。，。，；。”【：。量舅篇；鏊翟篙。（

14、）垂向冲击工况应力云图图轻量化后制动和垂直工况应力云图从应力分析结果进行结构改进后，前副车架在制动工况下最大应力由原来的降低为，使前副车架在制动工况下的强度得到提升；垂直工况下最大应力由原来的提升为，使前副车架在垂直工况下的强度得到充分的利用。同时经过结构改进后使前副车架各位置处的应力分布更趋向于平均。上述结果表明，改进设计的前副车架强度水平和原前副车架基本相当，能够满足使用要求。前副车架轻量化设计后模态对比分析为保证改进设计后前副车架的模态特性，避免兴振的发生，需要对改进后的前副车架与原始前副车架万方数据机械设计第卷第期的模态特性进行对比分析，分析过程中的参数设置和原始前副车架相同，对比分析

15、结果见表。表轻量化设计后前副车架模态分析结果模态原结构频率改进后频率振型阶扭转阶阶纵向弯曲阶挤压阶阶横向弯曲阶局部模态阶阶弯曲改进后前副车架和原始前副车架模态对比结果显示，改进后前副车架模态振型和原始结构前阶模态振型基本一致，同时模态频率大致相当。虽然改进后前副车架各阶频率有所降低，但是阶纵向弯曲频率仍然超过了设计要求的，且各阶模态频率连续无断点，相邻模态频率的差距也超过，避免了相近的模态。同时改进后前副车架模态振型和原始结构基本相同，说明改进后的前副车架模态满足设计要求。结论与讨论（）根据长期的研究，探索了一种强度和模态灵敏度分析相结合的汽车结构部件轻量化设计方法，提出了部件设计时应遵循的模态评价原则，该方法和原则可为其他部件轻量化设计提供参考。（）综合考虑了零件的强度与模态对轻量化设计的指导作用，并以模态灵敏度作为主要参考指标，使其为底盘结构部件的轻量化设计和结构优化提供了理论依据和决策参考，拥有很高的工程应用价值。（）下一步应对改进后前副车架进行试验，依据试验标准进行疲劳耐久性、可靠性、模态等相关试验，同时还需将改进后前副车架装车进行整车试验。参考文