基于模态灵敏度的轿车前副车架轻量化设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 2.57MB 67 页 15积分

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摘要

随着汽车工业在国内的蓬勃发展，使得能源日趋紧张、环境压力加剧的问题

日益凸显，汽车的节能与环保已经受到世界各国的关注。作为有效节能手段的汽

车轻量化技术已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题，在不久的将来，它

必将成为汽车公司的核心竞争力之一，汽车轻量化设计是现代汽车发展的一个重

要方向。本文主要以某轿车前副车架的轻量化设计为目标，通过对研究对象进行

强度刚度有限元分析以及模态分析，进行基于模态结果的灵敏度分析,根据分析结

果确定合理的轻量化设计方案，在保证可靠性的前提下有效降低质量，达到减重、

降耗、安全的综合指标。

研究过程中，首先建立前副车架三维模型，然后根据零件的结构特征建立前

副车架有限元模型，并对原始前副车架结构进行了强度和模态分析。将原始前副

车架强度分析和模态分析的结果作为轻量化设计的参考；同时针对原始前副车架

进行基于模态结果的灵敏度分析,根据灵敏度分析确定合理的轻量化研究方案。接

着基于灵敏度分析结果对前副车架进行了优化设计，并对新前副车架的强度和刚

度进行校验，与原始前副车架的分析结果比较表明，新前副车架完全可以满足使

用要求。最后对新设计前副车架和原始前副车架进行了动刚度对比分析，结果显

示新设计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，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设计和结

构优化提供了理论依据和决策参考，因此本研究具有较好的理论意义和工程应用

价值。

关键词轻量化前副车架灵敏度分析有限元方法

ABSTRACT

Along with the rapid development of automotive industry in our country, the

energy Tense and environment presure becomes increasingly serious, the energy

conservation and environmental protection of the automobile has been drawing global

attention recently.As an effective energy-saving method,the automobile lightweight

design has become a crucial research topic.In the near future,it must be one of the core

competence among car companies.The automobile lightweight design is one of the

important development direction of modern automobile. This essay focues on the front

sub-frame of an automobile and conducts FEA and modal analyasis,then provides

further research on the modal results based on which the reasonable

weight-lighteningscheme is determined,so as to reduce the weight of automobile under

the guarantee of reliability.

In the process of the research, the 3D model of the front sub-frame is first built,

then the FEA model is acquired based on its structural features,followed by strength and

modal analyses of the original front sub-frame.The results of the original front

sub-frame’s strength and modal analysis will be referred to for weight-lightening

design;meanwhile a sensitivity analysis will be implemented on the modal outputs,

according to which a considerate weight-lightening scheme will be made.Afterwards

based on the previous output of the sensitivity analysis the front sub-frame will be

optimized and its strength and rigidity will be revised.By comparing the anaylyses of

the original and later sub-frame, the redesigned frame efficiently meets the

requirement.Finally dynamic rigidity comparison is done on these two frames which

indicates that the original frame’s dynamic characteristics can also meet the standards.

This paper provides theoretical and policy-making references for chasis parts’

weight-lightening design. Based on parts’ strength and modal influence on the

weight-lightening design and having modal sensitivity as the main coefficient, this

method is of great significance both for theoretical innovation and practical industrial

optimization.

Key Words: Lightweight design，Front sub-frame，Sensitivity analysis，

Finite element method

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 .................................................. 2

§1.2 国内外现状 ....................................................2

§1.2.1 汽车轻量化的实施途径 ..................................... 2

§1.2.2 国内外先进水平 ........................................... 3

§1.3 本文研究的主要内容 ............................................5

第二章结构分析的有限元理论 .......................................... 7

§2.1 有限元方法的基本思想 ..........................................7

§2.2 薄壁壳单元力学基础 ............................................8

§2.2.1 平面应力问题 .............................................. 9

§2.2.2 薄板弯曲问题 ............................................. 10

§2.3 强度理论 .................................................... 14

§2.4 模态分析理论基础 ............................................ 17

§2.5 动刚度分析理论 .............................................. 19

§2.6 本章小结 .................................................... 20

第三章前副车架强度与模态刚度分析 ................................... 21

§3.1 前副车架结构特点分析 .........................................21

§3.2 有限元模型的建立 .............................................22

§3.2.1 有限元模型建立的基本原则 ................................. 22

§3.2.2 几何建模 ................................................. 23

§3.2.3 网格划分和检验 ........................................... 23

§3.2.4 焊接、螺接单元的等效模拟 ................................. 25

§3.3 前副车架结构强度分析 .........................................25

§3.3.1 载荷工况和边界条件的确定 ................................. 26

§3.3.2 前副车架强度应力分析 ..................................... 26

§3.4 前副车架模态分析 .............................................28

§3.4.1 前副车架结构模态评价 ..................................... 28

§3.4.2 前副车架结构模态分析 ..................................... 30

§3.5 本章小结 .....................................................33

第四章前副车架模态灵敏度分析 ....................................... 35

§4.1 灵敏度分析的意义 .............................................35

§4.2 模态灵敏度分析理论 ...........................................36

§4.2.1 灵敏度分析理论基础 ....................................... 36

§4.2.2 模态灵敏度计算模型建立 ................................... 37

§4.3 前副车架模态灵敏度分析与计算 .................................39

§4.4 本章小结 .....................................................41

第五章前副车架的轻量化设计研究 ..................................... 43

§5.1 优化设计概述 .................................................43

§5.1.1 优化设计的概念 ........................................... 43

§5.1.2 OptiStruct 的优化功能简介 ................................ 44

§5.2 前副车架轻量化设计 ...........................................45

§5.2.1 前副车架轻量化方案 ....................................... 45

§5.2.2 前副车架零件板厚轻量化 ................................... 45

§5.3 前副车架轻量化设计后强度、模态、动刚度校验 ...................46

§5.3.1 前副车架轻量化设计后强度校验 ............................. 46

§5.3.2 前副车架轻量化设计后模态对比分析 ......................... 48

§5.3.3 前副车架轻量化设计后动刚度对比分析 ....................... 48

§5.4 本章小结 .....................................................58

第六章总结与展望 .................................................... 59

§6.1 总结 .........................................................59

§6.2 本文创新点 ...................................................59

§6.3 研究展望 .....................................................60

参考文献 ............................................................ 61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 64

致谢 .............................................................. 65

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

2010 年，我国汽车工业延续了上年的良好发展态势，汽车产销双双超过 1800

万辆，分别为 1826.47 万辆和 1806.19 万辆，刷新全球汽车产销记录，再次蝉联全

球第一[1]。至此，我国已超过美日成为世界第一大汽车生产国和最大的汽车市场，

汽车工业已经发展成为我国的支柱产业之一。经过改革开放以来的全面技术引进

与自主开发，中国汽车工业已具备相当的技术开发能力和进一步发展的基础，近

年来国内也涌现出了一批具有自主知识产权的民族轿车品牌。因此，在中国汽车

市场竞争日趋激烈的背景下，如何通过加强自主开发能力，加快产品研发速度、

降低成本、提高可靠性的手段来提升产品的竞争力，对各大汽车公司就显得至关

重要。

随着世界能源紧缺和环境污染问题日益加剧，对汽车的节能环保要求也越来

越高。一方面，各国政府和汽车制造商大力推进新能源和电动汽车的研发，另一

方面着重在汽车轻量化方面加大投入，新材料和新工艺的使用越加广泛。汽车每

年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以上，汽车轻量化是降低能源消耗

的有效措施之一。资料表明车重减轻 10%，燃油消耗可降低 6%-8%[2]。汽车的轻

量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的质量，

从而提高汽车的动力性，减少燃油消耗，降低排气污染。除此之外，汽车轻量化

也有利于汽车的操控稳定性的提高，减小振动、冲击和噪音，提高零部件的耐用

性和可靠性。

汽车轻量化一般有两种途径，一是应用轻金属、现代复合材料等低密度材料，

达到减重目标；二是仍然使用钢材，但对结构进行优化，在保证承载能力和舒适

性的前提下减轻质量。其中第一种途径减重效果尤其明显，但存在研发成本高，

时间长，工艺不成熟等问题，目前在主要大型承载结构上使用还比较少。后一种

途径能够在应用现有材料，工艺条件基本不变或新工艺易于获得的情况下有效减

轻汽车质量，因此更具有实际意义。

车架是汽车上的一个重要部件，其重量在整车中占有较大比例，并且对车辆

安全性而言至关重要。因此，如何在保证可靠性的前提下对车架进行轻量化设计

是一项重要的工作。然而在车架结构优化设计中，即使是一个较为简单的结构修

基于模态灵敏度的轿车前副车架轻量化设计

改，亦有多种修改方案可供选择。为了确定何种方案效果较好，就必须分析各结

构参数或设计变量的改变对结构动态特性变化的敏感程度。进行灵敏度分析可以

避免结构修改中的盲目性，提高设计效率及减少设计成本，同时也为结构动力特

性的优化设计提供依据。在汽车设计过程中，要使各系统的固有振动频率避开外

界激励产生的频率范围，保证汽车良好的工作性能。轿车副车架作为底盘系统的

一个重要承载元件，支承前桥与悬架，使车桥、悬架通过它再与“正车架”相连，

同时也是发动机的重要支承部件。当轿车行驶时，副车架将承受来自路面的随机

载荷作用和发动机的振动载荷的作用，阻隔并减少这些振动与噪声直接传入车厢。

因此，研究副车架的动态特性对于研究整车的疲劳特性以及 NVH 性能有重要作

用。

本文主要以某轿车前副车架为研究对象进行强度刚度有限元分析以及模态分

析，进行基于模态结果的灵敏度分析，根据灵敏度分析结果确定合理的轻量化研

究方案，在保证可靠性的前提下有效降低质量，并为底盘系统的总体设计和结构

优化设计提供理论依据和决策参考，因此本研究具有较好的理论意义和工程应用

价值。

§1.1.2 课题来源

（1）国家自然科学基金 “汽车结构轻量化设计中的强度限值研究” （项目

编号50875173）；

（2）浙江省重大科技专项“基于载荷与强度特性的轿车底盘结构件模块化开

发攻关”（项目编号2009C11106）。

§1.2 国内外现状

汽车轻量化的目的是在确保强度、刚度的前提下，减轻汽车质量，不仅可以

减少材料和燃油消耗，降低污染排放，还能有效改善汽车起动和制动性能，减少

振动噪声。汽车轻量化绝非简单的将汽车小型化，而是在保证汽车原有性能不受

影响的前提下，有效降低汽车质量。受能源紧缺和节能环保的压力，世界汽车工

业很早就开始了汽车降低油耗、减少排放的研究，汽车轻量化作为汽车降低油耗、

减少排放的有效途径之一，已经逐渐成为汽车行业技术发展的主题。

§1.2.1 汽车轻量化的实施途径

综合国内外汽车轻量化技术的研究现状，主要有三种途径来实现汽车的轻量

第一章绪论

化。

（1）采用新型材料实现汽车轻量化

新型材料主要包括两大类：一类是低密度的轻质材料，如镁合金、铝合金、

钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢[3]。据统计，目前

占轿车质量 90%的六大类主要材料的分布为：钢材约占 55%~60%，铸铁约占

12%~15%，塑料约占 8%~12%,铝约占 6%~10%,复合材料约占 4%，陶瓷及玻璃约

占3%[4]。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

远来看采用新型材料进行轻量化设计有着巨大的市场潜力和经济效益。

（2）通过整车结构优化设计实现汽车轻量化

从上世纪 90 年代开始，汽车轻量化技术得到了迅速发展，其中又以结构优化

设计和新型材料的研究发展最为迅速，这已经成为汽车轻量化技术的主要手段。

但新型材料的研究应用存在研发时间长、成本高、工艺不成熟等一系列问题。汽

车结构的轻量化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，通过对汽车的整体以及零部件进

行结构分析，改进汽车结构，达到零部件的轻质、数量的精简和结构的整体化、

轻质化的目标。这种方法是汽车轻量化的重要手段，在我国有广阔的发展空间[5~7]。

（3）采用新型制造技术实现汽车轻量化

为满足汽车轻量化的要求，目前发展了不少新的成形技术来达到减轻质量和

降低成本的目的，例如采用激光拼焊技术、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[8]。目前在新型制造技术上的研究

主要集中在两方面，一是轻型结构件制造工艺的改进，例如发动机支架采用整体

液压胀型技术，不仅减少了零部件数目，而且减少制造工序，大大减轻了支架的

质量；二是在产品开发过程中充分考虑结构件的材料和制造工艺，从而缩短产品

的加工过程，不仅能减轻产品质量，还能缩短开发周期，减低成本，该方法的典

型例子例如汽车整体无缝式驱动桥壳的制造。

§1.2.2 国内外先进水平

受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始了汽车轻量化的研究工

作。上世纪 70 年代，随着能源危机的爆发，能源与材料的价格不断上涨，汽车生

产成本也与日预增，世界各汽车厂商都把汽车轻量化设计提上议事日程。上世纪

80 年代后，随着设计制造技术和新材料的不断发展，汽车质量逐年降低。以美国

为例，上世纪 80 年代初，中型轿车平均质量为 1520kg，90 年代初为 1475kg，90

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摘要随着汽车工业在国内的蓬勃发展，使得能源日趋紧张、环境压力加剧的问题日益凸显，汽车的节能与环保已经受到世界各国的关注。作为有效节能手段的汽车轻量化技术已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题，在不久的将来，它必将成为汽车公司的核心竞争力之一，汽车轻量化设计是现代汽车发展的一个重要方向。本文主要以某轿车前副车架的轻量化设计为目标，通过对研究对象进行强度刚度有限元分析以及模态分析，进行基于模态结果的灵敏度分析,根据分析结果确定合理的轻量化设计方案，在保证可靠性的前提下有效降低质量，达到减重、降耗、安全的综合指标。研究过程中，首先建立前副车架三维模型，然后根据零件的结构特征建立前副车架有限元模型，...

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