轿车前副车架强度和刚度匹配设计分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 5.75MB 70 页 15积分
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摘 要
汽车轻量化是现代汽车产业发展的一个重要方向，本文围绕某款新能源轿车
前副车架减重 30%-50%目标，采用轻质高强度材料 JDM2 镁合金设计前副车架，
利用有限元方法对设计的镁合金前副车架进行分析，经改进设计使镁合金前副车
架在达到原始前副车架使用性能的前提下实现减重 46%。本项目的研究是我国自
主品牌汽车进行轻量化设计的一次重要技术探索，对提升我国汽车轻量化技术发
展水平和推动镁合金在汽车工业上的应用具有一定的借鉴意义。
研究过程中，首先对前副车架建立有限元分析模型，并对原始前副车架结构
采用钢材料和 JDM2 镁合金进行了强度和模态对比分析。将原始前副车架采用钢
材料强度分析和模态分析的结果作为采用 JDM2 镁合金设计前副车架的设计目标；
同时将原始前副车架结构在钢材料和 JDM2 镁合金材料下的强度和模态分析结果
进行对比，为采用 JDM2 镁合金设计前副车架找到改进设计的方向。
接着对镁合金前副车架进行了优化设计。研究采用 JDM2 镁合金设计前副车
架时结构的薄弱位置，并通过有限元试验法找出对镁合金前副车架结构位移变形
影响最大的零部件，针对分析结果显示的镁合金前副车架强度和刚度不匹配（位
移变形过大）的问题对镁合金前副车架进行了加强和改进设计。通过对镁合金前
副车架反复进行优化设计和强度、刚度和模态特性校验，最终优化完成的镁合金
前副车架强度、刚度和模态特性均达到原始前副车架水平，总质量约为 26kg,较原
始前副车架减重约 22kg，减重比达 46%。
最后对镁合金前副车架和原始前副车架进行了动刚度对比分析，结果显示镁
合金前副车架的动态特性满足前副车架的使用要求。
本文的研究工作，无论在设计方法上，还是评价技术上，都为汽车行业的现
代化开发提供了有价值的参考。
关键词 轻量化 前副车架 JDM2 镁合金 有限元方法
ABSTRACT
Automotive lightweight design is an important direction of automobile industry
development. In this paper, lightweight high-strength magnesium alloy JDM2 was used
to design a front sub-frame for one new energy vehicle to achieve the weight reduction
goal of 30%-50%.FEA method was used to analysis the designed sub-frame, meet the
performance of front sub-frame after improving the designs and then achieved 46%
weight loss. This project is an important exploration of automotive lightweight design
of China's own brand cars, has a certain referential significance to improve the level of
China's automotive lightweight design and promote the application of magnesium alloy
in the automotive industry.
First, front sub-frame fea model was built, and strength and modal comparative
analysis were respectively carried out to the sub-frame of raw steel material and JDM2
magnesium alloy. Making the front sub-frame steel strength and modal analysis results
as the front sub-frame design objectives of using JDM2 magnesium alloy, and find a
design direction of using JDM2 magnesium alloy with front sub-frame’s strength and
modal comparative analysis results under steel and JDM2 magnesium alloy.
Then，the magnesium alloy front sub-frame had been optimized design. Studied
and found the weak position of the front sub-frame structure designed with JDM2
magnesium alloy，and through finite element analysis test method to find the parts most
influential sub-frame structure displacement deformation ，for the analysis results
revealed the issues that the strength and stiffness of preliminary designed magnesium
alloy sub-frame does not match (displacement distortion too big), the magnesium alloy
sub-frame had been strengthened and improved design. After repeated optimized design
and strength, stiffness and modal calibration, the final optimization design of the
magnesium alloy sub-frame strength、stiffness and modal had reached the original level
of front sub-frame, the total mass was about 26kg, compared with the original
sub-frame weight loss was about 22kg, weight loss more than 46%.
Finally, frequency response comparative analysis was respectively carried out to
the original steel material sub-frame and final designed magnesium alloy sub-frame.
The results showed that final designed magnesium alloy sub-frame dynamic
characteristics meet the front sub-frame use requirements.
Key Word: Lightweight design，Front sub-frame，JDM2 magnesium
alloy，Finite element method
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题研究背景、意义及来源 ................................... 1
§1.1.1 课题研究背景及意义 .................................... 1
§1.1.2 课题来源 .............................................. 3
§1.2 国内外现状 .................................................. 3
§1.2.1 镁合金材料的应用与发展 ................................ 3
§1.2.2 国内外先进水平 ........................................ 4
§1.3 本文研究的主要内容 .......................................... 7
第二章 结构强度分析理论基础 .......................................... 9
§2.1 结构力学的有限元基础理论[30,31] ................................ 9
§2.2 薄壁壳单元力学基础 .......................................... 9
§2.2.1 平面应力问题 ......................................... 10
§2.2.2 薄板弯曲问题 ......................................... 12
§2.3 强度理论 .................................................. 16
§2.4 模态分析理论基础 .......................................... 19
§2.5 动刚度分析理论 ............................................ 21
§2.6 本章小结 .................................................. 22
第三章 前副车架有限元分析模型建立 ................................... 23
§3.1 副车架简介 ................................................. 23
§3.1.1 前副车架结构特点分析 ................................. 24
§3.1.2 前副车架主要结构分析 ................................. 26
§3.2 几何模型简化和网格划分 ..................................... 27
§3.2.1 几何模型简化 ......................................... 27
§3.2.2 网格划分和检查 ....................................... 28
§3.3 焊接、螺接单元的等效模拟 ................................... 30
§3.4 材料特性和单元属性设置 ..................................... 31
§3.5 载荷工况和边界条件的确定 ................................... 32
§3.5.1 载荷工况确定 ......................................... 32
§3.5.2 边界条件确定 ......................................... 33
§3.6 本章小结 ................................................... 34
第四章 前副车架有限元对比分析 ....................................... 35
§4.1 前副车架强度分析 ........................................... 35
§4.2 前副车架模态分析 ........................................... 38
§4.3 本章小结 ................................................... 40
第五章 镁合金前副车架结构优化设计 ................................... 41
§5.1 镁合金前副车架优化设计思路 ................................. 41
§5.2 镁合金前副车架优化设计 ..................................... 41
§5.3 镁合金前副车架优化设计后强度、刚度和模态校验 ............... 46
5.3.1 镁合金前副车优化设计后强度和刚度校验 ................... 46
5.3.2 镁合金前副车架优化设计后模态校验 ....................... 50
§5.4 镁合金前副车架优化结果 ................................... 52
§5.5 本章小结 ................................................... 53
第六章 镁合金前副车架动刚度分析 ..................................... 54
§6.1 动刚度分析设置 ............................................. 54
§6.2 镁合金前副车架和原始前副车架动刚度对比分析 ................. 55
§6.3 镁合金前副车架动刚度分析结论 ............................... 60
§6.4 本章小结 ................................................... 61
第七章总结与展望 .................................................... 62
§7.1 总结 ....................................................... 62
§7.2 本文创新点 ................................................. 62
§7.3 研究展望 ................................................... 63
参考文献 ............................................................ 64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 67
致 谢 .............................................................. 68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景、意义及来源
§1.1.1 课题研究背景及意义
根据汽车制造商协会（OICA）统计，2007 年世界汽车生产总量达到 7326 万
辆，全世界汽车保有量突破 8亿辆[1]。另据德国一家汽车市场调研机构预测，全球
汽车保有量最迟到 2010 年将突破 10 亿辆。世界汽车产量和保有量的不断增加，
一方面推动了世界经济的发展，另一方面也对日益紧缺的能源和日益恶化的环境
状况产生了较大的压力。
为了缓解能源紧张和减少汽车有害气体排放，世界各国政府高度重视提高汽
车燃油经济性和减少排放。欧盟、北美和日本等许多国家制定一系列严格的法规
来提高燃油经济性指标和限制有害气体排放；我国也先后制定实施了《乘用车燃
料消耗量限值标准》[2]、《轻型商用车辆燃料消耗量限值》[3]和机动车尾气排放标
准[4]。
提高汽车燃油经济性、减少排放有多种方式。从世界范围来看，各大汽车公
司主要采用以下方式来解决汽车节能环保问题。一是加快开发新能源汽车技术，
通过采用混合动力技术，使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、燃料电池等替
代能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖；二是大力发展先进发动机技术，
如研发和采用涡轮增压、机械增压、燃油直喷、分层燃烧等新技术来提高燃料燃
烧效率，改善燃油经济性和排放性能；三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽
车安全性和其他基本性能的前提下，通过减轻汽车自身重量来实现节能减排[5]。
回顾汽车轻量化的发展历史，导致汽车轻量化技术发展的最初动力来自上世
纪70 年代爆发的全球石油危机，油价飞涨迫使世界各国通过减轻汽车质量来实现
节油，诞生了汽车轻量化概念，并因此带来了汽车技术发展的一次飞跃。1977 年
美国乘用车的平均自重为 1651kg，1982 年降低到 1275kg，降幅约 23%[6]。在此之
后，为满足安全、排放、舒适性、可靠性、智能化等要求，车内各种配置不断增
加，使得车辆的自重又开始缓慢回升，为轻量化技术发展带来了新的动力。
世界铝业协会报告指出：汽车自重每减少 10%，燃油消耗可降低 6%-8%，排
放降低 5%-6%。而燃油消耗每减少 1升，CO2 排放量减少 2.45kg[5,7]。可见，汽车
轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。
汽车轻量化已成为汽车产业发展的一个重要方向，也是一个汽车厂商、国家
轿车前副车架强度和刚度匹配设计分析
2
技术进步、先进程度的重要标志。世界各汽车发达国家都投入了相当大的人力和
财力研究汽车轻量化技术。诸如美国 PNGV 计划[8]、欧盟科技框架等政府项目中，
都很重视发展汽车轻量化技术。2008 年中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公
司、吉林大学、宝山钢铁股份有限公司、西南铝业(集团)有限责任公司等 12 家单
位联合成立了一个汽车轻量化技术创新战略联盟，计划在 2008 年到 2010 年之间
围绕汽车轻量化共性关键技术开展合作攻关，实现轿车减轻自重 8%到10%的目标
[9]。
目前，世界范围内各大汽车公司实施汽车轻量化的途径概括起来有三种：
（1）汽车用材料的轻量化设计，它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如
铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是使用高强度材料来降低
钢板厚度，如采用高强度钢[10]。短期内使用这些新型材料进行轻量化设计可能带
来成本的增加，但随着新型材料制造加工技术的不断完善和大批量使用，其成本
也在不断的下降，从长远来看采用新材料进行轻量化设计有着巨大的市场潜力和
经济效益。
（2）通过整车优化结构设计实现轻量化。这种方法主要是利用支持设计工作
的CAD、
CAE 和结构解析技术等进行结构优化设计,在确保汽车性能和功能的前提
下,对现有材料或者新型材料的结构进行分析,寻求零部件的轻质,数量的精简和结
构的整体化、合理化。这种方法是汽车轻量化的重要手段,在我国有着广阔的发展
空间[11~13]。
（3）从制造加工工艺方面实现轻量化。例如采用激光拼焊技术可以根据汽车
零件设计的要求，把不同厚度、不同强度和不同镀层种类的钢类（或同种类的其
他金属板）通过激光焊接成一块整体板，然后再进行冲压加工。激光拼焊显著的
优点是减少了零件数量和材料消耗，降低了整车质量，改善了刚性，降低了成本，
简化了装配工艺，提高了产品质量。此外还有液压成型技术、高强度热成型技术
以及充分发掘结构、材料强度潜能的低载强化技术[14]。这些技术不仅能实现汽车
轻量化，还大幅度提高了汽车的碰撞安全性、降低了制造成本，国内外的汽车制
造商都纷纷在新开发车型上采用上述技术来提高产品竞争力[15,16]。
郑松林教授率领的课题组对汽车结构件使用过程中强度变化特性与结构的疲
劳寿命之间的规律进行了大量的低载强化试验研究，提出了充分发挥材料强度潜
能获得结构有限寿命的轻量化设计方法[17~19]。这种设计方法，充分发挥材料的强
度潜能，符合我国汽车工业轻量化技术发展的特点，具有很重要的理论价值和现
实意义。
本课题涉及的自主品牌轿车，具有优良的综合性能。然而由于系统过于复杂，
第一章 绪论
3
在此车型基础上开发出的燃料电池轿车结构明显过重。为了加快其市场化步伐，
轻量化水平急需提高，强度分布急待改进。
前副车架作为该款新能源汽车底盘的重要部件，承载着燃料电池轿车的电动
机、变速器、电池堆等，先前设计偏于保守，造成质量过重，制造商提出了将前
副车架减重 30%-50%的设计目标，基于作者所在课题组先前对汽车结构强度规律
的大量研究，本文采用镁合金材料对前副车架进行重新设计，借助有限元方法对
前副车架进行强度、刚度、模态、动态刚度分析，最终确定合理的设计方案，并
对制造工艺提出建议。
本项目是我国自主品牌汽车进行轻量化设计的一次重要技术探索。通过本项
目的研究和开发，可以形成比较完整的拥有全部自主知识产权的汽车结构轻量化
设计技术。通过在新能源汽车上的应用实践，可以逐步应用于类似传统汽车的轻
量化设计，促进国产自主品牌汽车整车和零部件企业轻量化设计技术的快速提升，
为实现“十一·五末汽车减重 10%”的目标提供技术支持，促进中国汽车工业的
持续发展，为中国汽车工业早日实现腾飞做出应有的贡献。
§1.1.2 课题来源
（1）国家自然科学基金（项目编号50875173）“汽车结构轻量化设计中的强
度限值研究”；
（2）上海市科学技术委员会“新能源汽车底盘结构轻量化设计技术攻关” 科
研计划项目（项目编号08DZ1150307）。
§1.2 国内外现状
§1.2.1 镁合金材料的应用与发展
轻量化的重要途径之一是在保证强度和刚度要求下选用轻质材料，镁合金是
当前最理想最轻的金属结构材料，从而将成为汽车减轻自重以提高其节能性和环
保性的首选材料。
镁合金密度为 1.75-1.95g/cm3，具有很高的比强度和比刚度、压铸性能好、耐
冲撞、阻尼吸震性能好、可循环利用等特性[20,21]。由于镁合金的特性及在汽车等很
多领域的应用价值和应用前景,被誉为“21 世纪的绿色工程材料”
,扩大镁合金在交
通工具中的应用将成为解决石油资源紧缺和全球气候变暖的重要方案之一,世界各
国都展开了对镁合金的研究。
目前已大批量应用镁合金的主要是车身和底盘零件，如仪表盘骨架与横梁、
摘要：

摘要汽车轻量化是现代汽车产业发展的一个重要方向，本文围绕某款新能源轿车前副车架减重30%-50%目标，采用轻质高强度材料JDM2镁合金设计前副车架，利用有限元方法对设计的镁合金前副车架进行分析，经改进设计使镁合金前副车架在达到原始前副车架使用性能的前提下实现减重46%。本项目的研究是我国自主品牌汽车进行轻量化设计的一次重要技术探索，对提升我国汽车轻量化技术发展水平和推动镁合金在汽车工业上的应用具有一定的借鉴意义。研究过程中，首先对前副车架建立有限元分析模型，并对原始前副车架结构采用钢材料和JDM2镁合金进行了强度和模态对比分析。将原始前副车架采用钢材料强度分析和模态分析的结果作为采用JDM2镁...

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