某轿车副车架轻量化设计

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第35卷第 5期 南 京 工 业 大 学 学 报 (自然 科 学 版) Vo1．35 No．52013年 9月 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(Natural Science Edition) Sep．2013doi：10．3969／j．issn．1671—7627．2013．05．024某轿车副车架轻量化设计李 锦 ，苏小平 ，王宏楠 ，陈宇晖 ，张才伟(1．南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211800；2．宁波跃进汽车前桥有限公司，浙江 宁波 315021)摘 要：以制动工况为例 ，对副车架初始设计进行结构强度计算和模态分析，然后利用 ANSYS对副车架进行尺寸优化，在强度允许范围内，减小副车架零件厚度，达到减轻副车架质量的目的，最后对优化后的副车架强度和模 态频率进行验证。结果表明，副车架总质量减轻9．5％，说明该轻量化方法是可行的，为今后的副车架设计及改进工作提供参考。

关键词：副车架；轻量化；静力分析 ；模态分析中图分类号：TH12；U463．32 文献标志码 ：A 文章编号：1671—7627(2013)05—0125—04Subframe lightweight design of passenger carLI Jin ，SU Xiaoping ，WANG Hongnan ，CHEN Yuhui ，ZHANG Caiwei(1．College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211800，China；2．Ningbo Yuejin Automobile Front Axle Co．Ltd．，Ningbo 315021，China)Abstract：The structural strength calculation and the modal analysis were performed based on brake con—dition for the initial design of the subframe．Th en，the size of the subframe was optimized by using ANSYSsoftware and the thickness of the parts was reduced in the range of allowable strength to decrease the massof subframe．Finally，the strength and the modal frequency of the optimized subframe were tested．Thetotal weight of the subframe reduced 9．5％ ．The results provided a reference for the design and improve-ment of the subframe.

Key words：subframe；lightweight；static analysis；modal analysis轿车的乘坐舒适性以及操纵稳定性一直是人们所追求的，但两者恰恰又是一对相互制约的矛盾，副车架就是为解决这一两难问题而产生的?。副车架是轿车底盘中非常重要的承载件，使用频繁、故障率高，所以应当具有足够的强度来保证其使用要求。

节能环保是现代汽车工业重要的主题，也是关系社会可持续发展的重大问题。大量试验表明，汽车的质量与汽车石油消耗量有直接关系，汽车的质量每减轻 100 kg，百公里油量将减少 0．4—1．0 L，汽车质量每减少 10％，燃油消耗可降低 6％ ～8％，同时车辆废气排放量也有明显的降低 。

目前，国内外对汽车结构轻量化的研究比较广泛，并且已经从主要依靠经验设计发展到应用有限元等现代设计方法进行强度计算和分析阶段。杨锁望等 采用极限工况对汽车驱动桥壳进行轻量化，使厚度由30 mm减少为20 mm；张勇等H 通过遗传算法对车身吸能部件的板厚进行了优化；福特汽车公司对轿车车身进行了基于 NVH和碰撞要求下的收稿 日期：2012—04—25作者简介：李 锦(1987～)，男，山东寿光人，硕士生，主要研究方向为车辆数字化开发与集成技术；苏小平(联系人)，教授，E-mail：suxiaoping###vip．163．com.

第 5期 李 锦等 ：某轿车副车架轻量化设计式中：n为安全系数； 。为材料的屈服极限；or 为副车架的最大等效应力。

安全系数 >1，该副车架静强度符合要求，还有一定的优化空间，为后续的轻量化设计提供了理论基础。

2．2 副车架模态分析副车架模态分析是其结构动力学分析的基础。

静力分析中已经验证了副车架具有足够的强度以保证其使用要求，但是实际使用过程中副车架主要受到动载荷的作用，所以对副车架进行模态分析可以掌握副车架对激振力的响应，从而发现结构上的薄弱环节和不足之处，为副车架的开发提供理论依据。

运用 ANSYS软件模态分析中的Block Lanczos方法，对副车架进行 自由模态分析，计算时提取 12阶模态，结果见表 3。

表 3 副车架初始设计模态频率Table3 MOdal frequency ofinitial design of subframe阶数 频率／Hz000．613 29×100．111 950．116 620．267 98112．15211．77224．56255．52357．02429．27目前高速公路和一般城市道路，路面激励的频率大都在25 Hz以下，而该副车架的第7阶频率为112．15 Hz，远高于路面激励，不会引起共振。

发动机引起的激振频率．广，= (2)式中：z为发动机缸数； 为发动机转速；r为发动机冲程数。

四缸发动机怠速转速通常为 600 r／min。通过计算可知，该轿车发动机的怠速激励频率为20 Hz，市区内常用车速为5O～70 km／h，相应发动机的激振频率为4o～90 Hz。由此可知，副车架各阶非零频率均高于发动机正常工作的频率范围，故可有效避免与发动机发生共振，说明该副车架具有良好的动态性能。

3 副车架轻量化设计及验证3．1 副车架轻置化设计轻量化设计实际是以减轻质量为 目的优化设计。在 ANSYS优化设计中常用的方法有零阶方法和一阶方法 。

零阶方法采用逼近因变量求得最优值的方法，是一种通用的比较完善的方法，在工程问题的解决中有非常普遍的应用；而一阶方法使用因变量的一阶偏导数求得最优解，虽然此法精度较高，但求解空间大，计算时间长，且容易造成局部收敛，很难得到全局最优解。因此，笔者采用零阶方法作为 ANSYS程序的优化算法。

定义组成副车架的各零件厚度为设计变量，将原设计中的最大应力作为状态变量，要求该最大应力不超过材料的屈服强度 420 MPa，副车架的质量最小为目标函数。其数学模型可表示为rain(f(X))( ?≤0 ，2，?，m (3) )
= 0 J=1，2，? ，= ( 1， 2，? )式中 )为目标函数； ( )、 ( )为约束条件；为设计向量。

副车架只使用了一种材料，所以可将目标函数转化为体积最小，各设计变量代表的副车架上的零件，如图4所示。

￡ ～ 一参与优化的零件的编号图4 副车架轻量化设计变量Fig．4 Lightweight design variables of subframe根据前面的数学优化模型，在 ANSYS中定义相关的设计变量、状态变量和目标函数，利用零阶方法求解，经过30次迭代得到最终的优化结果，结果如表 4所示。

由表4计算可得 ：优化前副车架质量为 12．641 2 3 4 5 6 7 8 9 m n128 南 京 工 业 大 学 学 报 (自然 科 学 版) 第35卷kg，优化后副车架质量变为 11．39 kg，优化后副车架的质量减轻 了 1．2 kg，占优化前 车架总质量 的9．5％，取得了良好的减重效果。

表4 副车架各零件优化结果Table 4 Optimization results of subframe3．2 副车架轻量化验证3．2．1 静力分析验证根据轻量化设计得到的结果，修改原始模型零件厚度，进行静力分析，应力结果如图5所示。

8．42×10 1．68×1O 2．53×10 3．37×104．21×107 1．26xlos 2．11×10 2．95×los 3．79~l0s图5 优化后副车架 von Mises应力图(Pa)Fig．5 yon Mises of optimized subframe优化后副车架的最大应力出现在后橡胶衬套的焊点连接处，最大应力为 3．79×10 Pa。比初始设计有所提高，但是仍小于材料的屈服极限，安全系数=1．11>1，所以优化后的模型是安全可靠的。

3．2．2 模态分析验证副车架优化后的模态频率结果如表 5所示。

由表 5可知：优化后的模型第 7阶频率为117．68 Hz，比优化前略有提高，但仍可避免由路面及发动机激励引起的共振。

4 结论1)优化前副车架的最大应力为 317 MPa，出现表 5 优化后副车架模态频率Table 5 M odal frequencies of optimized subframe阶数 优化后频率／HzO00．598×100．111 750．119 880．258 99l17．68215．19225．05260．29341．88423．39在下控制臂的集中载荷处；优化后为379 MPa，出现在后橡胶衬套的焊点连接处，均小于材料的屈服极限420 MPa，优化后的副车架能够满足强度要求。

2)优化后的副车架各阶频率均高于路面及发动机的激励频率范围，可有效避免共振的发生，优化后的副车架具有良好的动态性能。

3)优化后副车架的质量减轻了 1．2 kg，比优化前减轻质量 9．5％，取得了良好的减重效果。

4)采用优化设计的方法可以在满足副车架使用要求的前提下快速有效地减轻其质量，为今后副车架的设计及改进工作提供参考。

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