基于模态刚度分析下镁合金后副车架强度设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 5.32MB 72 页 15积分
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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 ................................................... 4
§1.2 国内外现状 ....................................................4
§1.2.1 镁合金材料的应用与发展 ..................................... 4
§1.2.2 国内外先进水平 ............................................. 5
§1.3 本文研究的主要内容 ............................................7
第二章 镁合金材料及其性能 ............................................ 9
§2.1 镁合金材料特性 ................................................9
§2.2 镁合金的分类 .................................................11
§2.3 镁合金力学参数 ...............................................12
§2.4 本章小结 .....................................................13
第三章 镁合金后副车架结构强度设计方法 ............................... 14
§3.1 设计流程 .....................................................14
§3.2 设计方法 .....................................................14
§3.3 设计工具 .....................................................16
§3.3.1 三维造型软件 CATIA ........................................ 16
§3.3.2 CAE 软件 ................................................. 17
§3.4 本章小结 .....................................................18
第四章 镁合金后副车架强度及模态刚度分析基础 ......................... 19
§4.1 有限元分析基础 ................................................19
§4.2 薄壁壳单元力学基础 ............................................22
§4.2.1 平面应力问题 ............................................... 22
§4.2.2 薄板弯曲问题 ............................................... 24
§4.3 强度理论 ......................................................28
§4.4 模态分析理论基础 ..............................................31
§4.5 动刚度分析理论 ................................................33
§4.6 本章小结 ......................................................34
第五章 后副车架强度与模态刚度分析 ................................... 35
§5.1 有限元模型的建立 .............................................35
§5.1.1 几何建模 ................................................... 35
§5.1.2 网格的划分与检验 ........................................... 36
§5.1.3 加载与约束 ................................................. 38
§5.2 后副车架结构强度分析 .........................................39
§5.3 后副车架结构模态刚度分析 .....................................47
§5.4 本章小结 .....................................................52
第六章 镁合金后副车架结构优化设计 ................................... 53
§6.1 新镁合金后副车架优化方案 .....................................53
§6.2 新镁合金后副车架强度校验 .....................................54
§6.3 新镁合金后副车架模态刚度校验 .................................58
§6.4 新镁合金后副车架优化结果 .....................................61
§6.5 新设计镁合金后副车架加工工艺 .................................62
§6.5.1 成型工艺 ................................................. 62
§6.5.2 焊接工艺 ................................................. 63
§6.6 本章小结 .....................................................66
第七章 结论与展望 ................................................... 67
§7.1 研究结论 .....................................................67
§7.2 本文创新点 ...................................................67
§7.3 研究展望 .....................................................68
参考文献 ............................................................ 69
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 71
致 谢 .............................................................. 72
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
这些年来，随着人民生活水平的不断提高，对汽车的需求也越来越大。各大
汽车公司的年产量成逐年上升趋势。与此同时，世界各国的石油资源日趋紧张，
油价不断上涨。环境污染和能源紧缺将成为制约我国汽车工业可持续发展的重要
问题，不论从经济效益还是社会效益来考虑，低油耗、低排放的汽车必将是节约
型社会发展的需要。对汽车进行轻量化设计，减轻汽车重量是解决上述问题，维
持汽车产业持续、健康发展的关键之所在。
减轻汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成本，还可以显著
降低汽车能源消耗，减少有害气体的排放，提高汽车的动力性等。据相关资料，
汽车质量每减少 50kg，则每升燃油行驶的距离可增加 1km；若质量减少 10%，则
燃油经济性可提高 5.5%左右[1]。
汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已,而是具有前提条件的,即在保证汽
车整体质量和性能不受影响的前提下,应最大限度地减轻各零部件的质量,努力谋
求高输出功率、低噪音、低振动和良好的操纵性、高可靠性等,降低燃油消耗,减
少排放污染。目前，国内外开展轻量化设计的方案主要有三种：
第一种是应用轻质材料的轻量化设计，即使用密度小、强度高的轻质材料,像
铝合金、镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；使用同密度、同弹性模量且工
艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；使用基于新材料加工技术的轻量化结构用
材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等；使用这些新
型材料需要进行材料创新，改进加工手段，同时可能带来成本增加。但随着一些
新型材料的不断开发和普遍使用，其成本也会不断的下降。
另一种是通过结构优化的轻量化设计，利用 CAD/CAE 等手段，结合常用有限
元法和优化设计方法进行结构改进和优化设计。例如通过结构优化设计，减小车
身骨架，车身钢板的质量，优化对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性
能的前提要求下减轻自重；通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主
要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸；采取运动结构方式的变化
来达到目的。比如采用轿车发动机前置，前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更
紧凑，或采取发动机后置，后轮驱动的方式，达到使整车局部变小, 实现轻量化
模态约束下的轿车后副车架强度设计与分析
2
的目标。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，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[2]。
第三种是利用新型制造工艺的轻量化设计，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。
利用金属材料的低载强化特性，对变速箱齿轮使用新的磨合规范，可以提高齿轮
的强度和寿命，从而进行轻量化设计。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。
在构成一辆汽车的数万多个零件中，约 86%是金属材料，且钢铁占了 80%左
右。这表明新材料的应用作为实现汽车轻量化的主要途径之一，其潜力巨大。
表1轻量化材料减重效果及相对成本
零部件
材料相对成本
零件相对成本
减重幅度/%
铸件
铸铁
1.0
1.0
比较基准
铝铸件
1.8~2.2
1.0
50~60
镁铸件
3.0
1.0
65~75
车身构件
软钢
1.0
1.0
比较基准
高强度钢
1.1
1.0
10
铝合金
4.0
2.0
40~50
玻璃纤维增强复
合材料
3.0
0.8
25~35
经过三十多年的发展，国外在汽车轻量化材料技术的应用与开发领域取得了
突破性进展，已经形成了从新材料的开发、零部件设计、制造到材料回收再利用
等一整套产业化技术[3]。
(1)轻量化材料的开发已得到实际工业化应用的有高强度钢、铝合金、镁合金、
非金属基复合材料和塑料等 5大类材料，其中高强度钢、铝合金和塑料的商品化
程度较高。
(2)零部件设计技术主要包括新材料的评价技术，以便从成本(材料成本、制造
成本、寿命周期成本)、制造工艺性、性能、重量、安全性与可回收性等方面对新
材料进行全面评价，为零部件选材提供评判标准，建立了较完善的材料性能数据
库，以满足零部件设计的需要；制定了零部件设计指南，为设计师提供新材料应
用方面的经验及设计法则。
(3)零部件制造技术开发出了一系列适用于新材料的先进的零部件加工技术与
装备，其中有很多已进入工业化的应用，如金属薄板激光拼焊技术；各种先进的
第一章 绪论
3
成形技术，如金属的液压成形、半固态成形技术，塑料制品的低压成形、气体辅
助注射成形技术；不同种类材料的焊接、粘结和连接技术；镁合金的熔炼技术，
铝车身制造技术；铝、镁合金及塑料表面处理技术(防蚀处理、电镀、油漆等)等等。
(4)材料回收与再生技术如废旧材料的分捡技术、镁合金的无公害熔炼与回收
再生技术、塑料回收再生技术等。
随着国际石油价格的不断上涨和面临的环境问题，生产更环保﹑更节能的新
能源汽车已成为未来汽车工业发展的趋势。新能源汽车是指采用非常规的车用燃
料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的
动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的
汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电
池汽车（FCEV）、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等。
中国新能源汽车产业始于 21 世纪初。
2001 年，新能源汽车研究项目被列入国
家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车
目标挺进的战略。“十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高
度关注新能源汽车的研发和产业化。
在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。如果
新能源汽车得到快速发展，以 2020 年中国汽车保有量 1.4 亿计算，可以节约石油
3229 万吨，替代石油 3110 万吨，节约和替代石油共 6339 万吨，相当于将汽车用
油需求削减 22.7%。2020 年以前节约和替代石油主要依靠发展先进柴油车、混合
动力汽车等实现。到 2030 年，新能源汽车的发展将节约石油 7306 万吨、替代石
油9100 万吨，节约和替代石油共 16406 万吨，相当于将汽车石油需求削减 41%。
届时，生物燃料、燃料电池在汽车石油替代中发挥重要的作用。
结合中国的能源资源状况和国际汽车技术的发展趋势，预计到 2025 年后，我
国普通汽油车占乘用车的保有量将仅占 50%左右，而先进柴油车、燃气汽车、生
物燃料汽车等新能源汽车将迅猛发展。
本项目以某款轿车作为新能源汽车的主体框架，设计成为新能源燃料电池轿
车底盘部件，由于新能源汽车改用电动机和燃料电池之后，整车较原车增重约 200
多公斤，制造商提出了将底盘零部件减重 30%-50%的设计目标，因此采用较轻镁
合金替代作为多个底盘零部件的材料并保证零件的使用要求。
本次项目对于将镁合金材料引入轿车底盘的零部件中去具有一定的理论参考
价值，通过今后不断的研究和开发，能够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，最终应用到传统轿车中去。从而促进汽车整车和零
部件企业轻量化设计技术的快速提升，促进中国汽车工业的持续发展，为中国汽
模态约束下的轿车后副车架强度设计与分析
4
车工业做出应有的贡献。
§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) 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。
镁合金其密度为1.73g/cm3～1.93g/cm3。镁合金的强度和弹性模量较低，但它
有高的比强度和比刚度，在相同重量的构件中，选用镁合金可使构件获得更高的
刚度。镁合金有很高的阻尼容量和良好的消震性能，它可承受较大的冲击震动负
荷，适用于制造承受冲击载荷和振动的零部件。镁合金具有优良的切削加工性和
抛光性能，在热态下易于加工成型。
镁合金的熔点比铝合金低，压铸成型性能好。镁合金铸件的抗拉强度与铝合
金铸件相当，一般可达250MPa，最高可达600多MPa。屈服强度、延伸率与铝合金
相比也相差不大。镁合金还具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能，
可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸件比厚最小可达
0.5mm，适合制造汽车各类压铸件。
镁合金零件带给汽车的好处是显而易见的。一是它的质量轻，换用镁合金能
减轻整车重量，也就间接减少了燃油消耗量。二是它的比强度高于铝合金和钢，
比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。三是它具有良好的铸造性和尺寸
稳定性,容易加工，废品率低，从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数，
减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振
动，提高汽车的安全性和舒适性。镁合金虽然有这些优点，但从成本上看它仍然
偏高于铝合金。尽管如此，镁合金的应用前景仍然看好。
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、
座椅骨架、转向盘、进气歧管，以及各种支架、罩盖等。所用的镁合金材料以铸
第一章 绪论
5
造镁合金为主，如AM、AZ、AS系列铸造镁合金，其中AZ91D用量最大。镁在汽
车中应用的下一目标是发动机等动力系统零件。为适应发动机零件工作温度较高
的需要，近年来欧美等国家先后开发出了AE、Mg-A1-Ca、Mg-A1-Ca-Re、AJ系列
和ZAC8506等高强度抗蠕变镁合金，以及MRl201S、MRl202S与MRl203S等高温镁
合金。
变形镁合金主要有Mg-A1-Zn系合金(AZ31C、AZ61A、AZ80A)和Mg·Zn-Zr
系合金(ZK60)两大类。变形镁合金主要用于车身组件(车门、行李厢、发动机罩等)
的外板、车门窗框架、座椅框架、底盘框架、车身框架等。变形镁合金在车身上
的应用具有很大的潜力。
我国镁的蕴藏也十分丰富，菱镁矿资源占全球总量的22.5%，原镁产量已占全
球产量的64%。2004年我国原镁产量达45万吨，由于国内消费不足，其中38.4万吨
用于出口。2001年以前，国内批量生产的汽车镁合金压铸件主要是桑塔纳轿车变
速器壳体，年产量不到3000吨。
为将我国的镁资源优势变为镁产业优势，“镁合金应用与开发”列为“十五”
我国材料领域重点任务，并于2001年启动“镁合金开发应用及产业化”项目，
2004
—2005年国家科技部又将“镁合金开发应用及产业化”列为滚动发展项目；同时，
国家863计划也安排了有关耐热、变形、高强高韧等镁合金新材料、新工艺研究项
目；国家计委将镁合金产业化列为高新技术产业化示范项目。其中“镁合金开发
应用及产业化”项目对推动镁合金在汽车上的应用起到了重要作用。该项目已取
得了显著的阶段性成果，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，初步形成
了从高品位镁合金生产、镁合金关键工艺与装备、汽车镁合金零件开发、生产到
产业化环境与示范基地建设的一条完整产业链，在一汽、东风、长安等汽车企业
建立了压铸镁合金生产线，开始批量生产镁合金铸件。
与发达国家相比，我国镁合金应用水平较低。鉴于我国镁资源储量和生产原
料生产优势突出，随着镁及镁合金材料的大量应用，对减重、节能、环保、提高
产品性能都具有重要作用，对我国建设资源节约型社会有积极重要的意义。
§1.2.2 国内外先进水平
目前欧洲正在使用和研制中的镁基合金汽车零部件已超过60多种，北美正在
使用和正在研制中的镁基合金汽车零部件已多达100多种。美国福特汽车公司单车
采用30个镁合金压铸件，通用公司采用45个镁合金压铸件，克莱斯勒公司采用20
个镁合金压铸件，单车用镁合金量20kg～40kg。
根据资料显示：今后5年内在汽车工业材料应用增长最快的是镁合金压铸件。
模态约束下的轿车后副车架强度设计与分析
6
镁合金压铸件适合做汽车仪表板、汽车座椅骨架、变速箱壳体、方向盘操纵系统
部件、发动机零部件、车门框架、轮毂、支架、离合器壳体、车身支架等等。工
业发达国家采用镁合金压铸件制造汽车零部件的趋势是越来越多。日本大多数生
产手动变速汽车的企业也在想尽办法应用镁合金变速杆。日本采用镁合金座椅架
的车种在不断增加。另外，镁合金变速箱体、仪表盘、车门内框和车扶手也将在
日本生产的汽车上得到广泛应用。权威机构公布的最新统计结果显示：欧美的汽
车用镁合金压铸件正在以年均25%的速度增加；虽然当前全世界所有汽车的镁合金
平均用量只有213kg，但是汽车用镁合金量正在以年均20%的速度上升。世界各大
汽车公司都已经把采用镁合金零部件的多少作为衡量其汽车产品技术是否领先的
标志。福特汽车公司计划在今后20年内将每辆汽车的镁合金用量提高到113kg。当
前，发达国家的赛车及部分民用高档车正在使用镁合金轮毂，奔驰、宝马、丰田、
本田和三菱等汽车公司不久将大幅度提高镁合金锻造轮毂的用量。越来越多地采
用镁合金零部件，是世界汽车产业发展的必然趋势。
汽车的安全性对使用镁合金底盘部件具有挑战性，不仅要求合金的强度高，
塑性好，而且在腐蚀环境里受到周期应力作用要具有高的疲劳极限。德国波舍尔
公司1970年起使用AM60A镁合金压铸车轮，镁车轮比铝车轮轻20%以上。尤其是
美国研制的一种镁合金轮毂，在轮胎被扎穿后仍能以不高于48km/h的速度行驶，
而汽车不受损害。福特公司着眼于21世纪中型车100 km油耗少于3 L的目标，于1998
年推出的轻质概念车P2000，所采用的镁合金车轮，每个质量为3.1 kg，比钢板冲
压件减少5 kg。镁合金车内部件和车辆的安全性能相关，也要具有强度、塑性、能
量吸收能力和铸造性能的良好结合。
AM60B镁合金常用于座位支架和设备仪表板，
在1997年展出的梅塞德斯一奔驰的新车型SL上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采
用质量为3.19kg的压铸镁合金件代替质量为6 kg的钢件，通用公司的EVl车型采用
了整体铸镁转向盘，质量减少了3.6 kg，而且增加了刚性，减少了装配成本。丰田
汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过
去的钢制品、铝制品分别减少了45%和15%，并减少了转向系统的振动。奔驰公司
用AM20和AM50镁合金压铸座椅架，质量比过去的冲压一焊接钢结构件大大减少，
并减少震动，增加舒适性。与传统的锌制转向柱上支架相比。镁制件减重65%。与
传统的钢制和铝制转向轮芯相比，镁制件分别减重45%和30%，大众汽车的转向轮
芯采用了AM50A镁合金。与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的
镁铸件减重40%，同时也增加了刚性。车体构件用的镁合金要求材料刚性好、表面
质量好、耐腐蚀、成形性好，可用于门框，车顶框，车顶板，尾板等。大众公司
用AM60B镁合金制作内门，比钢制的减重40%。
POLO两门车应用内镁外铝混合车
摘要：

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...................................................4§1.2国内外现状..........................................

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