新能源汽車懸置輕量化設(shè)計(jì)分析探討

張超海 徐波 王林鴻

摘 要：新能源汽車為了整車輕量化，提高續(xù)航里程，零部件在設(shè)計(jì)時(shí)要求輕量化。在結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化達(dá)到瓶頸階段，嘗試使用密度更低的新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料。采用短玻纖熱塑性復(fù)合材料，再通過有限元分析，考慮材料各向異性的情況下，使用分析軟件Abaqus，Moldflow和Digimat軟件計(jì)算后，得出PA66+45%玻纖材料能滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：懸置支架 輕量化 新能源 有限元分析

1 引言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是支撐汽車動(dòng)力總成、減緩汽車在行駛運(yùn)輸中各種沖擊和降低噪音的重要系統(tǒng)，懸置系統(tǒng)主要包括，橡膠彈性單元部分，動(dòng)力總成連接部分及車身支架連接部分。傳統(tǒng)的動(dòng)力總成懸置支架均采用鑄鋁、鑄鋼、或鈑金材質(zhì)。由于新能源汽車的整車裝備重量直接影響汽車的續(xù)航里程，輕量化是新能源汽車的必要發(fā)展方向。汽車的輕量化最終要分解落實(shí)到相關(guān)零部件的輕量化上[1]。塑料及纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛，使用量持續(xù)增長，特別是在內(nèi)飾件和外飾件零件中的應(yīng)用[2]。

本文主要對采用短玻纖熱塑性復(fù)合材料在動(dòng)力總成懸置支架上的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，考慮材料玻纖的各向異性，輔助計(jì)算機(jī)軟件，闡述復(fù)合材料在動(dòng)力總成懸置支架設(shè)計(jì)及分析過程的應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)需求

某款新能源汽車需要設(shè)計(jì)匹配動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，在客戶給定的車身安裝邊界及動(dòng)力總成的參數(shù)上，設(shè)計(jì)與其動(dòng)力總成配合的懸置彈性中心位置，懸置剛度及懸置結(jié)構(gòu)。通過多體動(dòng)力學(xué)軟件獲得懸置在各個(gè)工況下的受力。再通過FEA分析計(jì)算支架是否滿足設(shè)計(jì)要求。此項(xiàng)目動(dòng)力總成由三相異步電機(jī)、差速器和減速器組成。動(dòng)力總成參數(shù)如表1。

2.1 計(jì)算懸置支架受力

將動(dòng)力總成懸置簡化為3向正交的彈簧阻尼模型，動(dòng)力總成如圖1所示。其中①②③表示3個(gè)懸置的安裝位置。通過ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算懸置系統(tǒng)在客戶標(biāo)準(zhǔn)工況下受力，再分解到3個(gè)懸置上每個(gè)方向的受力。計(jì)算所得的部分工況力如表2。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，③號(hào)懸置單個(gè)支架質(zhì)量達(dá)到627克重，比其他兩個(gè)懸置支架重量超過1倍之多。考慮優(yōu)化效率，主要考慮將③號(hào)懸置重量降低，以達(dá)到客戶要求。在優(yōu)化過程中，正對該支架優(yōu)化了多輪結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)如表3所示。從表中可以得出，輕量化結(jié)構(gòu)重量較優(yōu)化前輕了將近50%。

綜合對比結(jié)構(gòu)、重量、加工成本、生產(chǎn)效率，選擇采用短玻纖熱塑性復(fù)合材料。同時(shí)復(fù)合材料具有較高的阻尼特性，如圖2。圖2是某項(xiàng)目兩種相同結(jié)構(gòu)不同材料的力錘敲擊實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，在結(jié)果中可以看出，短玻纖熱塑性復(fù)合材料具有更高的阻尼特性[3]。

3 仿真分析

對于熱塑性材料的成型類型，采用仿真軟件Moldflow，短玻纖復(fù)合材料在成型時(shí)，復(fù)合材料的玻纖有各項(xiàng)異性特性，基于此特性，采用復(fù)合特性分析軟件Digimat，再結(jié)合有限元分析軟件Abaqus的功能特點(diǎn)，聯(lián)合仿真分析。其流程為，應(yīng)用Moldflow獲取懸置支架纖維分布方向信息，然后采用Digimat軟件獲得玻纖方向信息，建立復(fù)合材料模型，再采用Abaqus軟件對懸置支架進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，仿真分析流程如圖3。

3.1 注塑成型分析

采用Moldflow 軟件對懸置支架成型過程進(jìn)行模流仿真分析，獲得懸置支架在注塑過程中熔接線位置、氣泡位置及玻纖分布方向。將懸置支架的三維模型（圖4）導(dǎo)入到Moldflow軟件中劃分分析網(wǎng)格（圖5）。對懸置支架進(jìn)行注塑成型仿真分析，得到注塑成型后的懸置支架的玻纖取向模型（圖6）。

3.2 材料異性參數(shù)

通過Digimat軟件得懸置支架的復(fù)合材料模型，以及玻纖取向、玻纖形狀、玻纖分布密度等信息。再采用Digimat-CAE均勻化方法獲得懸置支架分析模型在不同位置的各向異性材料特征。

該方法通過代表性體積單元（Representative Volume Element， RVE）建立宏觀與微觀的聯(lián)系。該微觀應(yīng)滿足：其尺度充分小于結(jié)構(gòu)尺度，相對于復(fù)合材料微觀夾雜尺度充分大[4]。通過二步均勻化過程獲得RVE上的平均響應(yīng)[5]（圖7）。在1步中，通常利用Mori-Tanaka方法生成有基本體、形狀、方向的長徑比相同的玻纖構(gòu)成的顆粒，并且獲得其等效剛度和玻纖含量，在第2步中，利用Voigt或Reuss理論[7]將所有網(wǎng)格均勻化，得到RVE 的等效材料屬性。

通過整合集體及單個(gè)纖維基礎(chǔ)的非線性屬性和單個(gè)單元網(wǎng)格上的限位方向信息生產(chǎn)每個(gè)單元特定的材料數(shù)據(jù)，從而獲得分析模型的材料異性參數(shù)數(shù)據(jù)。

4 強(qiáng)度分析

懸置支架強(qiáng)度校核，主要從兩個(gè)方面考慮。分別是按照傳統(tǒng)的材料各向同性仿真和考慮材料各向異性進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析。在兩種情況下均加載相同的工況載荷，工況載荷如（表2）。懸置受力主要來自動(dòng)力總成扭矩輸出的反向力，及車輛運(yùn)行及運(yùn)輸過程中支撐動(dòng)力總成的加速度受力。按照標(biāo)準(zhǔn)，懸置支架滿足上述工況力，基本上可以判定該支架能滿足車輛的所有設(shè)計(jì)需求。后期在樣件加工完成后，再進(jìn)行試驗(yàn)場道路試驗(yàn)。

4.1 載荷及邊界條件

在懸置橡膠彈性中心位置加載工況力，彈性中心點(diǎn)與懸置襯套外骨架橡膠硫粘接面耦合連接，外骨架與懸置支架過盈配合，配合面采用接觸對處理。螺栓安裝位置約束6自由度（圖8）。

4.2 分析模型和網(wǎng)格劃分

懸置支架使用PA66+45%玻纖復(fù)合材料，基體為聚丙烯，增強(qiáng)玻璃纖維含量45%。拉伸模量為16400MPa（詳情見表4）。使用三維建模后直接導(dǎo)入Abaqus中，再使用Abaqus仿真計(jì)算表2中工況力。網(wǎng)格采用C3D8R6面體單元。（分析模型見圖9）

5 仿真結(jié)果

主要通過兩種分析方法判斷懸置支架結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)需求;

（1）假設(shè)材料為各向同性時(shí)，分析懸置支架是否滿足強(qiáng)度要求;

（2）懸置支架考慮各向異性時(shí)，斷裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

5.1 假設(shè)材料為各向同性時(shí)的仿真結(jié)果

假設(shè)材料為各向同性，為仿真分析時(shí)不考慮玻纖的分布與方向信息，得到懸置支架在工況載荷下的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果（見表5）。

由上表和圖得知，應(yīng)力值均較小，分析結(jié)果表明支架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。理論分析應(yīng)力主要集中在安裝孔附近的加強(qiáng)筋上，通過經(jīng)驗(yàn)初步判斷，分析結(jié)果與實(shí)際較相符。后期破壞試驗(yàn)確認(rèn)了斷裂位置與分析一致（圖10）。

5.2 考慮材料各向異性特性時(shí)仿真結(jié)果

由于熱塑性材料對應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)（拉伸或壓縮），纖維和應(yīng)變率的依賴性很大，因此材料的失效模式也依賴于這些因素。UL TRASIM故障描述法，能夠同時(shí)處理這些影響。

UL TRASIM故障描述法，指數(shù)是非線性的，通過比較應(yīng)力、應(yīng)變和相應(yīng)的失效數(shù)值可以看出，大于0.6的數(shù)值接近最大應(yīng)力。

在考慮復(fù)合材料各向異性特性，在分析過程中加入玻纖的分布方向信息。部分云圖見圖11。

6 結(jié)語

在通過兩種方法仿真分析后，結(jié)果顯示支架強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)需求。在材料各向同性情況下，懸置支架靜力學(xué)分析，強(qiáng)度均滿足要求。在材料各項(xiàng)異性情況下，支架斷裂分析均小于0.6.故此判斷短玻纖熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)的③號(hào)懸置支架能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行后續(xù)加工。

目前，此結(jié)構(gòu)的樣件臺(tái)架實(shí)驗(yàn)及車輛路試實(shí)驗(yàn)均已完成。懸置支架處于小批生產(chǎn)狀態(tài)，市場反饋尚無懸置支架斷裂情況。

通過對路試驗(yàn)證懸置支架的可靠性，臺(tái)架破壞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證懸置支架斷裂位置，可以判斷有限元仿真分析具有一定的可靠性。材料異性分析斷裂風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)能夠反饋支架斷裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，此分析方法具有參考意義。

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