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.docx

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基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计XX

第２９卷第２期２０１２年２月

机械设计

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＡＣＨＩＮＥＤＥＳＩＧＮ

Ｖ０１．２９Ｎｏ．２

Ｆｅｂ．

２０１２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１’２，赵德彪１，冯金芝１’２，王有涛１

（１．上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３，２．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２０００９３）

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４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６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：

Ｕ４６３．３２

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００１—２３５４（２０１２）０２—００９２—０５

某些轿车为了减轻车架的质量，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。

１

前副车架建模与结构强度分析

１．１

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

［７］

刘春光，刘晶，高伟贤．土压平衡盾构机刀具布置原则解析［Ｊ］．矿山机械，２０１０，３８（３）：

２８—３０．

Ｃｕｔｔｅｒｌａｙｏｕｔｍｏｄｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎ

ｅｒｒｏｒ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｈｉｅｌｄ

ｍａｃｈｉｎｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ

ＺＨＡＮＧＸｉ－ｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ－ｚｈｏｎｇ

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Ｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅ

ｃｕｔｔｅｒ

ｈｅａｄｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ

ｃｕｔｔｅｒ

ｌａｙｏｕｔｍｏｄｅｏｆｔｈｅ

限元模型时，根据副车架结构特点，选择壳单元进行网

格划分，焊接采用ＲＥＢ２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ＢＥＡＭ梁单元进行等

效模拟。

前副车架各零件材料特性见表１。

表１材料特性参数

＼参碧

盯。

／Ｏｒｂ／

弹性模量∥泊松比

密霞ｐ／

槲＼

ＭＰａＭＰａ

ＧＰａ

弘

（ｋｇ／ｍ３）

ＳＡＰＨ４４０

４４０

５７０２１０

０．３

７．８×１０３

１．２

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

ｃｕｔｔｅｒ

ｈｅａｄｏｆｔｈｅ

ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ

ｗａｓ

ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ；ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ；ｃｕｔｔｅｒｌａｙｏｕｔ；

ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒｒｏｒ；ＦＥＡ；

Ｆｉｇ１２Ｔａｂ２Ｒｅｆ７

‘‘ＪｉｘｉｅＳｈｅｊｉ”１０４９

ｔ收稿日期：

２０１１—０９—１４；修订日期：

２０１１—１２—３０

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（５０８７５１７３）；国家８６３重大资助项目（２０１１ＡＡｌｌＡ２６５）；上海市科委科研计划资助项目（０９ＤＺｌ００５００）

』：

海市科委基础研究重点资助项目（１０ＪＣｌ４１１６００）

作者简介：

郑松林（１９５８一），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

２０１２年２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

９３

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３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４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１，３，５，７，９点，约束点为２，４，６，８点。

前副车架有限元模型和设计硬

点如图１所示。

图１

前副车架有限元模型和设计硬点

１．３

前副车架强度分析

强度分析时，重点考察前副车架在４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４种工况下的应力云图，如图２所示。

（ａ）转弯工况应力云图

：

：

嚣兰笔麓。

；。

；口。

。

，ｏｊ忡。

ｍ。

氓。

川

（ｂ）垂向冲击工况应力云图

（ｃ）制动工况应力云图

ｉ：

揣：

盟。

，∞Ⅻｍｍ。

㈣ｌ

ｆ裟器Ｆ：

簇篙

非娶篙Ｅ“３１６…。

＊ｅ０’

（ｄ）倒车工况应力五图

图２

前副车架４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

３６２

ＭＰａ，前副车架各个工况下的最大应力均小于材料

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。

２

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＂ｊ。

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。

２．１

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Ｈｏ。

以下考虑与前副车架有关的各种扰动激励频率的影响∞ｏ：

本车型使用直列四缸发动机，怠速转速为７５０

ｒ／ｍｉｎ，因此可计算发动机的怠速激励频率，即发火阶

次频率约为２５Ｈｚ。

发动机额定转速５

５００

ｒ／ｍｉｎ时主

要干扰力最高频率为１８３Ｈｚ，因此得到发动机的主要激振频率范围２５～１８０Ｈｚ。

经悬架传递的路面激励基

胁删甜雌删拼啦ｍ们州删枷∞锄

缫黧瓣黧一口；●¨一椭辄ｒ｝玉一ｒ．，ｒ＿ｉ－ｒＬ柚：

量

舯唧们拼啦们州棚枷删ｍ｜囊啪

誉篆黧辫漂端Ｅ一醛躲Ｅ嚣万方数据

机械设计第２９卷第２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２．５Ｈｚ以下。

整车的纵向、横向和垂向频

率一般在５Ｈｚ以下，俯仰和侧倾频率一般在２Ｈｚ以下，车辆的横摆频率一般在５Ｈｚ以下。

根据长期研究，轿车前副车架的设计应遵从如下

原则∞１：

（１）１阶模态频率不低于２００

Ｈｚ；

（２）零部件对应振型的固有频率应高于外部激励

激振频率的１０％；

（３）相邻两阶频率间隔不低于２０

Ｈｚ。

２．２

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２所示。

表２

副车架模态各阶频率及振型

Ｈｚ

模态频率

振型

ｌ阶

１７ｌ扭转２阶

２ｌｌ

１阶纵向弯曲

３阶

２９７

挤压

４阶３４８

１阶横向弯曲

５阶

３５６局部模态６阶

４５５

２阶弯曲

根据模态分析结果可以看出，前副车架在４００

Ｈｚ

以下的自由模态没有超过１０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２０Ｈｚ，满足设计的基本要求。

依据分析结果前副车架１阶弯曲频率２１１Ｈｚ，发动机转矩脉动频率２５—１８０Ｈｚ，达到避开共振频率１０％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１阶扭转和１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。

２．３

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６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１０个独立的部件，具体的

零件编号如图３所示。

（ａ）前副车架上盖板

２

（ｂ）前副车架内部加强筋结构

图３

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１０％，然

后重新求解，从而计算出变动后的函数值。

其中部件

４—１和４—２，５—１和５—２以及６一ｌ和６—２分别

为左右对称件，在计算时同时进行，并分别用ｔ。

～ｔ，代表各个部件的厚度。

用△６ｉ表示各部件的厚度参数变

化量，即Ａｂｉ＝ｂｉ×１０％，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６阶固有频率对各部件厚度参数的灵敏度，其数值如表３所示，其中模态灵敏度的单位

为Ｈｚ／ｒａｍ。

表３

前副车架各部件模态灵敏度值

＼部件厚度／＼ｍｍｔｌｆ２ｔ３ｔ４

ｔ５ｔ６ｔ７

模态＼＼

１阶

１４１０

１９．５

６１

２５‘２阶８．５

２６

ｌｌ８。

５

—４

３．２４３阶

６

３９２０．５

１２—３

５．２５４阶２２．５

２３．５２６．５

５．５

—７

０．８

３．５５阶２１．５

３９１７．５１６．５

７．５

１．６

１．５６阶

２５．５１６．５

４５

—４．５—１．５一１．２

２．５

万方数据

２０１２年２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

９５

由表３叮以看出，对前副车架１阶扭转固有频率

变化最敏感的部件分别是部件ｌ和３，对ｌ阶弯曲固有

频率变化最敏感的部件分别是部件２和３，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１阶扭转频率和１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。

３

前副车架轻量化设计㈨

考虑到前副车架结构的特点及实际的加工工艺，

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１阶扭转频率和１阶

弯曲频率灵敏度较大的部件（１，２，３）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１阶扭转频率和１阶弯曲频率为状态变量进行优化设计，经过５次迭代，得到前副车架结构的优化分析结

果，具体见表４。

表４

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／ｋｇ１３．８

１２．７

１阶扭转频率／Ｈｚ

１７ｌ

１７０状态变量

１阶弯曲频率／Ｈｚ２ｌｌ

２１０部件１厚度／ｍｍ

２１．６

设计变量

部件２厚度／ｍｍ２２．０部件３厚度／ｒａｍ

２

２．２

优化前后的前副车架质量及１阶扭转模态和１阶

弯曲模态的对比结果见表５。

表５

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／ｋｇ１３．８１２．７

１．１１阶扭转频率／Ｈｚ１７１】７０１１阶弯曲频率／Ｈｚ

２１ｌ

２ｌＯ

ｌ

从表４和表５ｌｆ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１．１ｋｇ，减重达７．９％。

同

时虽然低阶模态频率有所降低，但是１阶纵向弯曲模

态频率２１０Ｈｚ仍然远高于发动机转矩脉动频率值１８０

Ｈｚ，达到避开共振频率１０％以上的一般要求。

４

前副车架轻量化设计后强度校验及模态对比分析

４．１

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４所示。

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３１

（ａ）制动工况应力云图

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４４５Ｅ＋Ｌｊ

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｝２∞Ｅ．ｏ｛ｔ。

３

８＾７ｆｆＯＩ

（ｂ）垂向冲击工况应力云图

图４

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３６２ＭＰａ降低为３４１

ＭＰａ，

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１５９ＭＰａ提升为１８６ＭＰａ，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。

４．２

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２９卷第２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，对比分析结果见表６。

［２］

表６轻量化设计后前副车架模态分析结果

Ｈｚ

模态原结构频率

改进后频率

’

振型１阶１７１１７０

扭转２阶２１１２１０１阶纵向弯曲

３阶

２９７２９５

挤压

４阶

３４８３４５１阶横向弯曲５阶３５６

３５１局部模态６阶

４５５

４５４

２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６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１阶纵向弯曲频率仍然超过了设计要求的２００Ｈｚ，且各阶模态频率连续无断点，相邻模态频率的差距也超过２０Ｈｚ，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。

５

结论与讨论

（１）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。

（２）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。

（３）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。

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Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏ

ｔｈｅ

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ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅ

ｆｒｏｎｔｓｕｂｆｒａｍｅｉｎ

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Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｂｒａｋｉｎｇ，ｖｅｒｔｉｃａｌｉｍｐａｃｔｉｎｇａｎｄｒｅｖｅｒｓｉｎｇｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ

ｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｆｏｒｃｉｎｇａｎｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈ

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ｆｒａｍｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

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ｔｕｒａｌｍｏｄｅｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｓｕｂｆｒａｍｅｗａｓ

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ｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｍｏｄａｌｓｈａｐｅｓ

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基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计作者：

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郑松林，赵德彪，冯金芝，王有涛，ZHENGSong-lin，ZHAODe-biao，FENGJin-zhi，WANGYou-tao郑松林,冯金芝,ZHENGSong-lin,FENGJin-zhi（上海理工大学机械工程学院,上海200093;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200093，赵德彪,王有涛,ZHAODe-biao,WANGYou-tao（上海理工大学机械工程学院,上海,200093机械设计JournalofMachineDesign2012,29（23次参考文献（8条1.张胜兰;郑冬黎;郝琪基于HyperWorks的结构优化设计技术20072.袁锋轿车前副车架强度和刚度匹配设计分析20103.左曙光;阎礁;靳晓雄扭杆梁后桥结构轻量化分析[期刊论文]-同济大学学报2006（124.喻惠然发动机隔振的研究1992（095.孙登兴汽车发动机悬置技术研究[学位论文]20056.王有涛基于模态灵敏度的轿车前副车架轻量化设计20117.李令举汽车工程电子新技术19958.赵松年;余杰新;卢秀春现代设计方法1996引证文献（3条1.王树英.郑松林.冯金芝.刘新田燃料电池轿车前副车架轻量化设计[期刊论文]-机械设计2013（22.耿国庆轿车转向盘骨架开发[期刊论文]-机械设计2013（123.丁玲.朱雄某越野车车架固有频率优化及轻量化[期刊论文]-上海汽车2013（2引用本文格式：

郑松林.赵德彪.冯金芝.王有涛.ZHENGSong-lin.ZHAODe-biao.FENGJin-zhi.WANGYou-tao基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计[期刊论文]-机械设计2012（2