考虑疲劳寿命的负载隔离式电动汽车车架轻量化研究∗

周美施，尹怀仙，张铁柱，张洪信，刘高君

（青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071）

考虑疲劳寿命的负载隔离式电动汽车车架轻量化研究∗

周美施，尹怀仙，张铁柱，张洪信，刘高君

（青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071）

对某改装负载隔离式电动汽车车架的静强度、疲劳强度进行验证并进行轻量化研究。首先利用Solidworks对车架进行参数化建模，导入ANSYSWorkbench中计算车架受力，利用SN法分析得到车架疲劳寿命，然后以此为约束建立车架优化设计模型，对车架各梁结构的壁厚进行优化设计，使车架质量减轻29.09%。

汽车；电动汽车；负载隔离；疲劳寿命；车架；轻量化

汽车零部件通常因为结构振动而发生疲劳破坏，提升汽车零部件疲劳强度、可靠性及安全性具有极其重要的意义。现今汽车零部件疲劳强度的提高主要凭借经验设计，通过静态优化方法等实现。学者们从不同方面对结构寿命优化问题作出了分析研究：HaibaM.等通过多体动力学分析软件确定疲劳载荷谱，实现车辆悬架系统关键部件的疲劳寿命优化；杜中哲利用时域疲劳分析仿真计算某SUV轿车车身结构的疲劳寿命分布，并利用频域疲劳寿命分析方法对时域方法的精度进行了论证；薛彩军等建立基于响应面模型的结构疲劳寿命优化方法，对飞机起落架进行了疲劳优化设计；吴道俊等提出了基于疲劳寿命的车架支架拓扑优化流程；何卫锋等运用优化设计分析方法建立了某机翼的数学模型，其优化目标为机翼结构疲劳寿命和结构质量；归晓烨等以某型运输机前起落架为研究对象，利用MSC工程软件，建立了基于疲劳寿命的多体结构优化方法；贺新峰等以搅拌车副车架为研究对象，提出了将等效静载荷结构优化方法、拓扑优化方法与疲劳预测相结合的疲劳设计方法。目前对汽车零部件的疲劳寿命分析已有一定方法，如E-N法、S-N法和振动疲劳分析法等，但将汽车零部件的疲劳寿命为优化目标的结构优化设计研究还不多，如何考虑疲劳寿命设计合理的材料分布、结构形式及其尺寸，实现车架轻量化、降低成本和提高行驶里程已成为亟待解决的热点问题。

1　负载隔离式电动汽车结构原理

负载隔离式电动汽车是一种新型纯电驱动汽车，发动机和发电机仅作为能量转换装置，发动机始终工作在最佳稳态工况点，不受车辆负荷变化的影响。如图1所示，控制器控制两组储能电池组进行合理的充放电切换：储能电池组1首先放电并提供动力，当其电量达到报警电量时，控制器控制储能电池组2开始放电，在提供动力的同时，发电机组开启给电池组1充电。这样两组储能电池组循环进行充放电，使电池组避免出现过充、过放和过热危险，大大增加电池组的使用寿命，同时根据油箱大小增加汽车的续驶里程。

图1　负载隔离式电动汽车的工作原理示意图

车架自重通过设置材料密度参数、重力加速度添加，车架各部分总成简化为集中力添加在车架相应部位。计算所需载荷和加载方式见表1。

表1　车架各载荷及添加方式

2　车架疲劳寿命分析

在车架建模过程中，为方便网格划分，去除倒角、引线安装等的小圆孔及对承重不受影响的安装结构件。同时，由于需进行结构参数优化，对该车建立参数化模型。建模方法有两种：一种是先在三维软件中建立参数化模型，再导入Workbench中；另一种方法是在Workbench中直接建立模型，并设定参数。这里选用第一种方法建立模型，针对车辆行驶最恶劣工况，即悬空工况进行强度计算及疲劳寿命分析。

金属在循环载荷作用下会发生疲劳破坏。车架疲劳寿命分析必须以车架有限元分析结果为依据。因该文主要研究车架静态疲劳特性，需获得车架的静力学分析结果。静态分析主要是通过对车架施加静态载荷和约束，获得车架变形、应力分布情况。针对电动汽车悬空工况进行分析，载荷施加见表1。选用第四强度理论校核车架的静强度，即：

式中：σr为相当应力；σ1、σ2和σ3分别为3个方向的主应力；［σ］为材料的许用应力。

通过有限元计算，得到车架应力和位移（见图2和图3）。车架悬空工况下的最大应力值σmax=135 MPa＜［σs］，出现在后悬架吊耳处。车架的安全系数约为2.6，大于一般经验安全系数，满足强度要求，其最大位移δmax=1.69mm，满足刚度要求。

图2　车架应力云图（单位：Pa）

载荷谱在疲劳分析中极为重要，决定疲劳分析结果的准确度。疲劳分析中的载荷谱分为时间序列载荷谱和时间步载荷谱、恒定幅值载荷谱等，该文对车架进行静态疲劳分析，采用时间序列载荷谱。要获取车架较为准确的疲劳分析结果，需通过试验获取载荷谱，但由于条件有限，通过ADAMS整车虚拟样机仿真提取动态力的方式得到车架各荷载的动态力。经过分析，得到该车在30s内以50km/h在C级路面行驶时出现峰值力的次数为9次。将载荷谱采用峰谷值法进行简化，得到车架时间载荷序列（见图4）。

图3　车架位移云图（单位：m）

图4　车架时间载荷序列

ANSYSWorkbench中有丰富的材料数据库，从中查取Q345所对应的材料StructuralSteel BS4360Grade50D，获得应力比为-1，Q345的S-N曲线见图5。由于获得的材料为美国标准，加上材料表面粗糙度、应力集中等的影响，需对材料S-N曲线进行修正。采用S-N法，使用Goodman曲线修正，结合有限元分析结果进行疲劳分析得到的车架疲劳寿命见图6。

图5　Q345的S-N曲线

图6　车架疲劳寿命云图（单位：次）

由图6可见：该车架的疲劳寿命为3246800次，最危险点出现在后悬空车轮纵梁与悬架连接位置。根据《机动车强制报废标准规定》，该车行驶里程参考值为500000km。根据载荷谱计算得到其车架许用疲劳寿命为1000000次，车架满足疲劳寿命要求。

3　基于疲劳寿命的车架轻量化

根据车架静强度和疲劳寿命计算结果，该车架强度及疲劳寿命存在较大冗余。而汽车质量与油耗直接相关，汽车质量下降10%，油耗降低6%～8%。因此，对该车架进行轻量化设计。

目前，基于疲劳寿命的结构件尺寸优化有两种基本思路：一种是将设计寿命作为约束，在使寿命达到设计要求的前提下，将结构件质量最轻设置为目标函数；另一种是将结构总质量作为约束，在满足结构总质量的要求下，将结构疲劳寿命最大作为目标函数。这里按照第一种基本思路进行优化，在满足约束的条件下，运用优化算法，通过迭代反复计算，求得目标函数的极值，从而得到最优尺寸参数。尺寸优化模型为：

式中：mi为第i个单元的质量（kg）；Nmin为车架的许用疲劳寿命（次）；σs为车架的屈服强度（MPa）；δmax为车架结构要求最大位移（mm）；xi为第i根梁的厚度（mm）；ximin、ximax分别为第i根梁的厚度下限和上限（mm）。

车架各部件的设计变量见图7。

图7　车架各部件的设计变量

设计变量取定后，还需确定优化设计中的性能约束。有限元计算分析中，状态变量可以是结构的材料属性、固有频率和位移值等，其合理取值范围对结构优化设计具有重要影响。在此确定优化设计数学模型状态变量为：1）强度状态变量，要求结构的安全系数不超过2，结构许用疲劳寿命大于Nmin=1000000次循环。2）静刚度状态变量，要求车架结构的最大位移量不超过δmax。优化结果见表2。

表2　结构部件优化前后的厚度

对结构改进后车架进行疲劳寿命分析，在极限工况下其安全系数为2.3，且有一定余量，最大位移值为2.27mm，疲劳寿命为1.1369×106次。优化后车架质量由85.6kg减少至60.272kg，降幅达29.09%，实现了轻量化目标。

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U469.72

A

1671-2668（2016）04-0001-03

∗国家高技术研究计划项目（2014AA052303）；山东省科技发展计划项目（2014ZZCX05501；2014GGX103044）；青岛市战略性新兴产业培育计划项目（14-8-1-2-gx）

2016-02-25