某轿车副车架轻量化
摘要：为满足副车架轻量化要求，同时保证副车架的动、静态性能，采用碳纤维材料替换原钢质材料的方式。对轿车原副车架进行静力分析及模态分析，在保证碳纤维车架动、静态性能的条件下，对碳纤维材料铺层角度及各层厚度进行优化，并将碳纤维车架与原车架静力分析结果进行对比。结果表明：碳纤维副车架模型的静、动态性能达到了设计要求，质量减轻了89.15%，轻量化效果明显。
关键词：副车架；轻量化；碳纤维材料；铺层优化
大量试验证明车辆质量与油耗和排放有直接关系，降低汽车质量可以减少燃油消耗和废气排放。轿车副车架是轿车底盘中重要的承载部件，在对其轻量化的同时，需要保证其动、静态特性。目前常用的轻量化方法是采用结构优化，对车架拓扑结构、尺寸厚度等进行优化设计。该方法一定程度上减轻了车架质量[1-3]，但随着进一步轻量化要求，需采用新型复合材料，目前常用的是碳纤维材料[4]。采用碳纤维材料代替原钢质材料时，不能单纯进行材料替换，需考虑碳纤维材料铺层厚度和铺层角度等因素。
本文作者首先对轿车原副车架进行了静力分析及模态分析，在保证碳纤维车架动、静态性能的条件下，对碳纤维材料铺层角度及各层厚度进行优化，并将碳纤维车架与原车架静力分析结果进行对比。
将前副车架CAD模型导入HyperMesh软件中，抽取其中面，采用尺寸为10 mm的壳单元对该副车架进行网格划分。该副车架采用结构钢，其材料密度为7.8×10-9 t/mm3，泊松比为0.3，弹性模量为206 GPa，屈服强度为345 MPa。副车架有限元模型见图1。
图1 副车架有限元模型
该副车架通过控制臂与悬架相连，通过强化板与底盘固定，整车簧载质量为1 300 kg。有限元分析时，前副车架承受的载荷以集中载荷方式施加在副车架与底盘连接位置，大小为3 250 N，方向垂直于副车架。车辆静止时，对副车架与控制臂连接位置进行全约束。急转弯工况时，副车架承受着簧载质量和0.3g的横向加速度，同时约束副车架与控制臂连接位置右侧平动自由度及左侧纵向和垂向平动自由度。紧急制动时，副车架承受簧载质量和0.6g纵向加速度，约束副车架与控制臂连接位置的平动自由度。对该副车架进行了静力分析及模态分析，结果见表1。图2为副车架各工况静力分析的位移及应力图。
表1 车架有限元分析结果
图2 有限元分析结果
采用碳纤维材料对原副车架模型进行替换，碳纤维材料的铺层方式对副车架动、静态性能有重要影响。采用的碳纤维材料铺层方向有0°、90°、45°、-45° 4个方向。按照原钢质材料副车架厚度确定碳纤维材料副车架初始总厚度，且各铺层方向的可设计层厚相同。进行碳纤维材料替换后模型的静力及模态结果见表2，此时质量为4.263 kg。
表2 碳纤维副车架初始模型静力及模态结果
2.1 自由尺寸优化
对碳纤维材料初始模型进行自由尺寸优化，来确定最佳的铺层形状。优化数学模型为：
设计目标：各工况的加权柔度最小。
约束：体积分数小于0.3。
设计变量：4个铺层方向的厚度。
制造约束：可制造层厚为0.2 mm，并确保 45°方向和-45°方向的厚度分布相等，0°的铺层百分比不超过25%。
自由尺寸优化后的副车架厚度分布如图3所示。较厚的区域出现在副车架左右两侧，其他区域厚度较薄。自由尺寸优化后的碳纤维铺层建立了16层，层1～4表示0°的铺层，层5～8表示 45°的铺层，层9～12表示-45°铺层，层13～16表示90°铺层。
图3 自由尺寸优化总厚度分布
2.2 尺寸优化
自由尺寸优化后所得到的铺层厚度是一系列不规律的数值[6]，为便于加工，需要进行尺寸优化来确定各角度的最佳铺层厚度。该阶段尺寸优化是建立在前一阶段自由尺寸优化的基础之上。优化时以各层的厚度为设计变量，体积最小为设计目标，约束各工况应变及前5阶模态频率不小于自由尺寸优化时的优化结果。各角度铺层的数量取决于各角度的铺层厚度与单层厚度，选择的碳纤维单层厚度为0.1 mm。
经过自由尺寸和尺寸优化后，碳纤维副车架最大应力为急转弯工况时的应力，最大值为106 MPa，一阶频率为109 Hz。
2.3 层叠顺序优化
尺寸优化后得到各层最佳厚度，但为使副车架得到最佳性能，还需对层叠顺序进行优化。优化时以各方向层叠顺序为设计变量，仍以体积最小为设计目标，约束各工况应变及前5阶模态频率。优化后最终得到36层铺层，迭代历程及结果见表3，表中最后一列为优化后的层叠顺序结果。
表3 层叠顺序 (°)
将钢质副车架与碳纤维车架的质量、应力、位移及一阶频率等性能进行比较，见表4。可以看出：与原副车架模型相比，新副车架各工况强度均有大幅度降低，刚度虽有提高，但仍满足设计要求；新副车架一阶频率为110 Hz，避开了道路激励和发动机激励的频率；从14.94 kg减轻到1.62 kg，减轻了89.15%，达到设计要求。
表4 两种方案优化后车架性能比较
在某轿车副车架中，采用碳纤维材料替代原钢质材料，对碳纤维铺层厚度及层叠顺序进行了优化设计，得到碳纤维材料的副车架在强度及刚度满足设计要求的前提下，质量从14.94 kg减轻到1.62 kg，减轻了89.15%，轻量化效果明显。