fcv后悬架纵臂的轻量化设计

fcv后悬架纵臂的轻量化设计

新能源汽车对于缓解和解决汽油耗竭问题、用车燃油不足方面具有重要意义。然而，与普通汽车相比，由于电池和能源管理系统的重量更重，车辆的重量更重。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UG软件建立,如图1所示。1.1网格划分及网格优化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。最终的有限元模型包含有21155个节点,67635个单元。纵臂材料为铸钢,其弹性模量E=1.9×101.2计算所测载荷和变形为获得纵臂强度计算所需的边界条件及载荷,先利用ADAMS软件建立整车虚拟样机,然后按给定工况进行动态仿真。通过动力学仿真,得到后悬架纵臂各连接点的最大载荷如表1所示。将后悬架纵臂的轮毂连接点进行约束,并将车身、上横臂以及下横臂连接点的最大载荷乘以安全系数1.5后输入ANSYS分析模块,进行受力分析。应力分布计算结果如图3如示。位移和变形计算结果如图4所示。由计算结果可以看出,原后悬架纵臂最大应力为264.137MPa,最大变形为3.688mm。由材料力学的计算公式可知,圆管的抗扭截面系数:圆管的抗弯截面系数:式中:D为圆管外径,a为内外径比。公式(1)和(2)中可以看出,质量一定时,外径越大,圆管的抗扭抗弯性能越好。所以将原后悬架纵臂的材料由铸钢改为铸铝合金后,在考虑到装配时和其他零件干涉的情况下,纵臂的圆管结构外径不需要改动,只是圆管壁加厚,使得a变小,提高圆管的抗扭抗弯能力。所以尽管铝合金的延伸率和变形较大,但通过增加管状壁厚,并优化局部结构,可以保证铝合金纵臂的使用性能与原钢制件相当。2适当加固铝合金材料使用UG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5mm增加到12mm。2.1有限元网格划分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solid45单元来模拟。最终的有限元模型包含有27854个节点,76581个单元。纵臂材料为铝合金,其弹性模量E=7.9×102.2新铝纵臂应力分析将利用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最大载荷乘以安全系数1.5后输入ANSYS模块,进行受力分析。得到结果,铝合金后悬架纵臂最大应力为273.485MPa,最大变形为3.759mm。由计算结果可以看出,新铝合金后悬架纵臂最大应力和最大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。3模型分析3.1anczes模态在自由模态分析中,释放后悬架纵臂的全自由度,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。3.2弹性变形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。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疲劳试验结果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10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-N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-N特性曲线,其离散对应函数关系如表5所示。一般情况下,应力循环次数N根据铝合金后悬架纵臂应力分布的有限元计算结果,第2487节点的应力最大。为全面起见,在应力疲劳分析中考虑三个不同区域内应力最大的节点,另外两个节点分别为3257和15874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。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最大部位,其应力水平大于其他节点上的应力,允计循环次数达到105后悬架纵臂轻量化设计案例分析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UG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