基于HyperWorks的新能源车架有限元分析

邓剑锋

摘要： 数字化验证在汽车全流程开发中占据越来越重要的地位，本文依托某公司在研车型项目，对工程设计阶段的新能源车辆车架数据进行设计校核及性能验证，基于HyperWorks有限元分析平台，首先对车架进行模态分析，考查其低频特性及验证有限元模型的准确性，然后分析车架在起步、制动、转向、转向制动、垂向冲击等五种典型工况下的应力分布情况，判断车身强度是否满足要求，为车架结构的优化设计提供了理论依据。

Abstract： Digital verification plays a more and more important role in the whole process of automobile development. Relying on the vehicle model project under research of a company， this paper carries out design verification and performance verification on the frame data of new energy vehicles in the engineering design stage. Based on HyperWorks finite element analysis platform， firstly， modal analysis is carried out on the frame to examine its low-frequency characteristics and verify the accuracy of finite element model， Then， the stress distribution of the frame under five typical working conditions such as starting， braking， steering， steering braking and vertical impact is analyzed to judge whether the body strength meets the requirements， which provides a theoretical basis for the optimal design of the frame structure.

关键词：数字化验证;新能源车架;有限元分析;典型工况

Key words： digital verification;new energy frame;finite element analysis;typical working condition

中图分类号：U469.72                                    文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2022）04-0071-03

0  引言

新能源汽车车架作为车辆整体的一部分，不仅承担着动力电池、电机、整车控制器等重要的汽车部件的安装承载，还要给驾乘人员提供舒适合适的乘坐驾驶空间，同时也保护乘客在发生碰撞时吸收能量，以保证乘客不受到巨大的冲击损伤。一个主体车架要求本身具有足够的弯曲度和强度，并且车架的刚强度与整车NVH有着直接的关联，所以车架设计在汽车开发中是极其重要的环节。对新能源白车架的分析主要包括模态、刚强度分析，模态、刚度计算主要考查车架的低频特性及车架刚性，车架刚性好坏直接影响车辆运动过程中NVH特性及操纵稳定性。强度计算考查车架在典型工况下的受力情况，车架强度直接影响汽车的安全性能和使用寿命。

1  车架有限元模型建立

按照企业技术标准对新能源白车身进行有限元模型建立，在新能源白车身的定义上，其实一直存在着一个争论点，那就是白车身到底包不包括车辆的四门两盖（前机舱盖、行李厢盖），不同车企之间内部的定义和标准并不统一。根据机械工业部推出的标准来看，白车身定义为车身结构件及覆盖件焊接总成，并包括前翼板、车门、前机舱盖和行李厢盖，但不包括附件及装饰件的未涂漆的车身。根据企业标准不同可展开相应对比分析。在开始建模之前，需要整车部门提供白车身可编辑数模、白车身BOM表、零件清单、材料信息、焊接或胶粘CAD文件等，提供尽可能详细的信息是建立完整精确白车身有限元模型的前提条件。

1.1 几何清理

本文分析的新能源白车架数据来源于某公司在研车型，文件类型为CATIA软件中可编辑part格式，因此可以直接导入前处理软件hypermesh进行网格划分。一般情况下，对于汽车车架这种复杂的装配体而言，其中细小的特征不计其数，更多的特征及造型意味着要划分更多的网格，会使得计算量大大增加，这在仿真分析中不能完全考虑到，也没有必要。因此，划分网格之前，需要对导入的三维数据进行必要的几何清理，几何清理应该遵循以下原则：

①距离大于1/2网格尺寸的线条应该适当去除其中一条;

②对于存在小缝隙的区域可以进行补面;

③对于形状突变的面应该根据拓扑关系重新构面;

④线条上短距离存在多个点可以适当去除。

虽然目前主流前处理软件都有一定的几何清理功能，但大都需要手动处理，自动智能清理还亟待发展，因此在几何清理过程中工程师的个人经验也起到关键作用。

1.2 网格划分

对新能源白车架进行刚强度及模态分析，建议网格尺寸大小采用5-8mm壳单元，比如四边形、三角形等，三角形单元在模型中也是必要的，可以作为四边形高质量网格的过渡，对于网格划分应该遵循以下规则：①为了计算精确性，三角形单元数量在整个模型中不能超过5%;②对于焊点、焊缝及胶粘应该选择合适的方式进行模拟;③划分的单元质量应该符合企业技术标准的要求;④对于孔、槽及倒角部位可以选择适当的简化处理。

划分好的新能源白车架CAE模型如图1所示，整个白车架模型离散为1052282个单元，1152870个节点，整个白车架CAE模型的重量525kg，与白车架重量设计值差异小于5%，满足建模要求。

1.3 载荷及边界条件

对新能源白车架进行强度分析，一般以满载状态下计算车架在表1中工况下车架接附点受到的载荷作为加载条件，为了准确获取各个接附点的受力情况，首先根据车辆设计信息进行整车多体动力学建模，需要输入准确的悬架硬点以及各个弹性元件的刚度与阻尼参数，在Adams中对整车动力学模型输入各种工况下的加速度信号，根据需要设置输出的载荷信号，然后软件会自动计算提取出各个工况下主要接附点（前后悬架、减震器、副车架、悬置点等）的静态载荷，此静态载荷在有限元模型中可以直接施加在车身接附点相应位置，约束轮心位置自由度，计算白车架整体受力情况。

在不考虑环境温度及非线性影响的线性静态计算中，可只输入E、NU、RHO参数，其余可忽略。不同的求解器应根据实际计算的需求定义相应的材料参数卡片，白车架模型中常见的材料参数如表2。

按照实际新能源白车身模型中材料及厚度信息分别赋予相应的材料属性，为了快速建模，可以使用hypermesh中二次开发TCL语言进行编译，可以快速进行批量化建模，极大的节省了建模时间。

1.4 模型检查

对于整车级别的建模及求解运算，模型检查在有限元计算中非常重要，在进行完上述一系列操作之后需要对有限元模型进行模型检查，一般地，在有限元前处理软件都有对应的模型检查模块，可以直接运行并根据提示的警告或错误信息进行模型修正，提示没有任何警告或者错误信息就可以直接提交进行计算。

2  白车架模态分析

汽车研发设计中，对新能源白车架进行模态分析的意义是在设计中尽量避免白车架与动力总成或其他零部件产生共振和噪声，同时也可以指导设计车架刚度，增强其稳定性和安全性，计算方法与结果也可以为实车试验提供参考和依据。

白车架模态分析为自由模态分析，即模型不加任何形式的约束。分析的频率范围设定为1-100Hz，下限设为1Hz，其目的是避免计算前6阶的刚体模态，以节约计算时间。

通常我们使用Hyperworks软件的optistruct求解器進行求解，算法选用兰索士法（对应卡片为EIGRL），计算结果如图2、图3所示。

由计算结果可知，白车架一阶扭转模态49.8Hz，一阶弯曲模态59.1Hz，白车架的一阶弯扭模态频率要避开电机转动二阶激励频率3Hz以上，一阶弯曲模态频率和一阶扭转模态频率之间也要有3Hz以上的分离，满足设计要求。

3  白车架强度分析

按照1.3节中边界条件进行白车架强度分析，根据车辆实际行驶工况，采用VPG技术手段在动力学软件Adams中建立整车模型，路面采用试验场扫描的数字路面，轮胎采用实测的参数进行模拟，通过载荷分解得到白车架接附点处边界载荷，施加在相应位置，进行各工况下车架静力学计算，计算结果如图4-图7所示。

由计算结果可知，起步工况、制动工况及转向下整车应力水平相对较小，最大应力分别为221.1MPa、225.9MPa、195.4MPa，应力最大位置发生在车架与悬架接附点支架处，小于材料屈服强度，满足设计要求。

转向制动工况最大应力为239.8MPa，最大位置发生在减震塔支座上，小于材料屈服强度，满足设计要求。

垂向冲击（过坑）工况主要模拟车辆在经过有坑路段时的垂向冲击，此工况是在车辆满载状态下施加Z向3g加速度，较为严苛，从计算结果来看，最大应力258.9MPa，发生在副车架接头部位，虽然应力较大，但仍然小于材料的屈服强度，满足设计要求。

综上所述，起步、制动及转向工况下应力水平较小，因为车辆运行过程中这几种工况是最常使用的工况，载荷水平也相对较小，想象一下，如果车辆在起步或转弯工况就发生较严重的问题是显然不能接受的。

转弯制动和垂向冲击工况应力水平相对较高，这也和车辆受到的载荷水平有关，垂向冲击时车辆受到的载荷能达到3g加速度以上，转弯制动类似漂移，受到的载荷也比较大，相应的应力水平较高。

4  结论

车架强度是汽车设计的重中之重，同时车架模态与整车NVH息息相关，本文借助有限元技术对新能源白车架进行自由模态和强度分析，主要得到以下结论：

①通过车架自由模态分析，得知车架一阶弯扭模态相对合理，能够避开电动机激励，并且避免了弯扭模态耦合，动态特性较好，满足设计要求。

②利用多体动力学软件建立整车动力学模型，对典型工况进行模拟，通过载荷分解输出各工况下接附点边界载荷;并采用惯性释放的方法对白车架进行强度分析，结果表明该新能源车架结构安全系数较高，满足设计要求，具有一定的优化空间。

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