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有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化在底盤輕量化中的應(yīng)用

2018-10-04 10:43:06·  來源：凱雷德  
　
汽車輕量化就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備車質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車
汽車輕量化就是在保證汽車的 強(qiáng)度和安全性能 的前提下，盡可能地 降低汽車的整備車質(zhì)量 ，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3~0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。
當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑有：
1、 優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高材料利用率。
增加加強(qiáng)筋；加強(qiáng)防滾架平衡桿；有限元法設(shè)計(jì)；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。
2、新材料的研發(fā)與應(yīng)用：
比如使用高強(qiáng)度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。
3、 優(yōu)化制造工藝：
比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、結(jié)構(gòu)膠 、 鎖錨連接等。
本文主要介紹有限元分析在汽車底盤輕量化方面的應(yīng)用。
首先來看一下基于有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡單示例：
（左）原始結(jié)構(gòu)（右）受載荷時(shí)的應(yīng)力分布情況
（左）有限元拓?fù)鋬?yōu)化示意圖（右）最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖
通過上述簡單示例，可以發(fā)現(xiàn)有限元分析可以得出部件在工作時(shí)的受力情況，結(jié)合優(yōu)化算法，最終得出保證零部件可靠性的同時(shí)對材料利用率最高的方案，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量比原始結(jié)構(gòu)減重40%以上。
有限 元結(jié)構(gòu)優(yōu)化的上述作用可以在汽車輕量化方面起到重要的作用，對汽車底盤進(jìn)行有限元仿真及優(yōu)化，可以得到哪些部位的材料無用可去除，只保留必要的部位的材料，從而可以大大減輕底盤的重量。
下面從整體到幾個(gè)附屬部件等方面簡單介紹下有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化在底盤輕量化方面的應(yīng)用。
示例一：
底盤主體優(yōu)化：
1，通過優(yōu)化車架縱梁的橫截面及厚度，采用更小的橫截面面積的縱梁（圖6）滿足強(qiáng)度和剛度的要求，可降低縱梁的重量。
2，在采用優(yōu)化后縱梁的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對底盤整體進(jìn)行優(yōu)化（圖7），包括前掛架的優(yōu)化，梁上合理增加減重孔等方式進(jìn)一步在滿足強(qiáng)度剛度要求的基礎(chǔ)上對底盤整體進(jìn)行減重。
原結(jié)構(gòu)及計(jì)算模型
車架縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化（橫截面形狀、厚度）
車架整體機(jī)構(gòu)優(yōu)化（減輕孔、前掛架等優(yōu)化處理）
示例二：
某支撐桿由直徑30mm在保證強(qiáng)度滿足要求的情況下優(yōu)化為直徑20mm。 重量降低48%。
直徑30mm部件（重2.33Kg）及受力分析
直徑20mm部件（重1.21Kg）及受力分析
示例三：
板簧優(yōu)化，在滿足要求的情況下，重量降低29%。
總重量24.5Kg，應(yīng)力658，剛度80N/mm
總重量17.4Kg 應(yīng)力645,剛度80N/mm
示例四：
支腿優(yōu)化 ，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，板材的厚度從8mm減為6mm；前后封板結(jié)構(gòu)按應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，減小了與縱梁接觸部位的斷面高度；縱梁內(nèi)側(cè)的加強(qiáng)梁也是按照前支腿斷面的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)，降低了加強(qiáng)梁的高度。相比優(yōu)化前，重量減輕了10.5%。
支腿優(yōu)化
示例五：
懸架支架優(yōu)化 ，通過優(yōu)化分析，在保證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足使用要求條件下，對懸架支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)。優(yōu)化后相比優(yōu)化前重量減輕15%。
支腿優(yōu)化
利用有限元優(yōu)化技術(shù)可以改變過去依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的落后辦法。運(yùn)用有限元分析技術(shù)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以更快，更好，更直觀的知道零件傳力路徑，知道那些地方需要加強(qiáng)，哪些地方需要減重這樣才能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。
通過上述簡介，可以發(fā)現(xiàn)，有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在強(qiáng)度、剛度、疲勞等方面滿足要求的基礎(chǔ)上，最大程度的提高材料利用率，降低結(jié)構(gòu)的重量，是有理有據(jù)的輕量化設(shè)計(jì)手段。
此外，在振動(dòng)，剛度等方面有限元分析也可以給底盤設(shè)計(jì)提供有利的技術(shù)支持。如圖14/15所示。圖15在不增加零件重量的情況下顯著提高副車架模態(tài)。
底盤模態(tài)分析
模態(tài)優(yōu)化
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