基于刚度协调的总装吊点支架轻量化设计

摘 要：针对总装吊点支架的轻量化问题，提出了基于刚度协调的总装吊点支架轻量化设计方法。在满足冲压成型工艺的前提下，提高总装吊点支架的材料牌号以提高结构优化的可操作性，在此基础上，采用刚度协调策略对总装吊点支架进行优化以平衡总装吊点支架和侧围外板的刚度。优化结果表明，在满足强度要求的前提下，总装吊点支架重量降低了41g，减重率达26.1%，轻量化效果显著，验证了所提的基于刚度协调的总装吊点支架轻量化设计方法的有效性，为汽车零部件的轻量化设计提供一种可借鉴的方法。

关键词：刚度协调 轻量化设计 总装吊点支架

随着工业的快速发展，化石燃料日益减少，环境问题愈发剧烈，节能减排成为人们密切关注的话题。汽车总装是一个将汽车各零部件组装起来的工艺过程，是汽车在制造过程中必不可少的环节。而总装吊点支架作为汽车重要的垂向支撑件，在总装吊点工况下扮演着重要角色。如何在保证可靠性的前提下，尽可能地降低总装吊点支架重量，从而达到降本增效、节能减排的目的，成为汽车开发中的一大难题。

刚度协调是结构力学的一个重要概念，其基本思想为：通过合理的刚度分配，使得系统各零部件之间的刚度相互协调，从而实现最佳的力学性能。众多学者在结构的优化设计过程中运用了刚度协调原理。崔勇[1]基于刚度协调原理对电机托架进行了结构优化，得到了满足可靠性电机托架结构。谢素明等[2]对动车组铝合金车体结构开展了相关研究，总结出了动车组铝合金车体结构刚度协调设计原则。丁彦闯等[3]通过实际算例验证了基于刚度协调的疲劳寿命优化设计方法的有效性。白从凯等[4]基于刚度协调理念对转向架进行了优化设计，结果表明，转向架的可靠性得到了明显提升。蔡芳芳等[5]基于刚度协调原理对泵车样机转塔进行了优化设计，有效解决了泵车样机转塔的疲劳失效问题。Niu等[6]针对焊接结构的抗疲劳设计问题，基于刚度协调思想，提出了一种焊接结构的三级抗疲劳设计方法，该方法可广泛应用于焊接结构的优化设计和抗疲劳性能的提高中。

本文针对总装吊点支架的轻量化问题，从刚度协调角度出发，对总装吊点支架进行了优化，并将优化前、后的强度和重量结果进行对比，验证了所提方法的有效性。

1 总装吊点静强度分析

将车身模型导入ANSA软件中进行单元离散，并截取部分车身模型用于后续静强度分析，通过力的平衡计算得到4个总装吊点位置的载荷，约束车身截断面全部自由度，在4个举升块下表面施加相应Z向载荷，总装吊点强度分析有限元模型如图1所示，得到的等效应力云图如图2所示。由应力云图可知，总装吊点支架最大等效应力为1089.2MPa，大于材料HC340/590屈服强度的382MPa，侧围外板最大等效应力为152MPa，小于材料DC56D屈服强度的157MPa，由此可知总装吊点支架强度不满足要求。

2 总装吊点强度优化

由应力云图可知，总装吊点支架最大应力位于耳朵中间偏上位置，这极有可能是由于耳朵过长导致局部刚度较弱，从而引起的严重应力集中现象。基于此，在保证工艺可实现性的前提下，将耳朵头部下移9mm，分析结果如图3所示，由图3可知，总装吊点支架的最大等效应力位置稍有下移，值降为754.1MPa，应力降低明显，侧围外板的最大等效应力位置基本不变，但值却升至176MPa。在提升总装吊点支架刚度的情况下，支架自身应力水平降低，而与之相连的侧围外板应力水平却有了一定增高，初步认为总装吊点强度工况下的总装吊点支架和侧围外板存在刚度不协调问题。为了验证该问题，将总装吊点支架厚度由1mm提升至1.2mm，仿真结果如图4所示，由图4可知，总装吊点支架和侧围外板的最大等效应力位置均不变，值分别为711.3MPa和179MPa，在支架厚度提升的前提下，同样符合前述情况，故可以判定总装吊点支架和侧围外板在总装吊点强度工况下存在刚度不协调问题。

由上述可知，总装吊点支架刚度如果较小，则自身应力水平会很高，此时的侧围外板应力处于较低水平；而当总装吊点支架的刚度过大时，其自身应力会显著下降，但同时会引起侧围外板应力的升高，总装吊点支架应力和侧围外板应力呈负相关关系。为了得到满足强度要求的结果，需要协调总装吊点支架刚度和侧围外板刚度，以寻求一个平衡。由于侧围外板结构难以更改，故刚度的协调主要通过对总装吊点支架进行优化来实现。首先，在满足材料冲压成型工艺的前提下，将支架的材料牌号由HC340/590（屈服强度382MPa）提升至HC550/980（屈服强度722MPa），通过提升材料的屈服强度为支架的结构优化提供更多可能性。然后，保持厚度不变，优化支架结构，旨在满足强度要求的同时，达到轻量化的目的，具体优化方案见图5。

优化方案主要为：

（1）将顶部下移9mm，以在轻量化的同时，避免耳朵过长导致局部刚度不足，从而导致此处产生严重的应力集中。

（2）将加强筋以及中上部凸台方向由向外改为向内，以改变支架的变形方向，变形方向由向外变为向内。

（3）将中下部凸台移除，并对腹部进行挖孔。溃缩孔形状类似A型，可同时兼顾强度要求与极大化的轻量化效果。一方面，A型溃缩孔可以降低支架腹部及腿部刚度，从而改变传力路径，最终使得支架在总装吊点工况下沿着其中间位置变形；另一方面，A型溃缩孔可以极大化轻量化效果。而其它形状的溃缩孔则存在以下两种情况：（1）虽然也能达到支架沿着中间位置变形的效果，但轻量化效果不佳；（2）轻量化效果很好，但支架自身刚度较弱，导致自身或侧围外板应力不达标。

优化方案的仿真结果如图6所示，优化前、后总装吊点支架的强度及重量对比结果见表1。由表1及图6可知，优化后，从强度角度来看：总装吊点支架最大等效应力位置由耳朵中间偏上位置转移至支架腿部倒角处，值为634.9MPa，小于材料HC550/980的屈服强度722MPa，与此同时，侧围外板的最大等效应力降至139.5MPa，小于材料DC56D的屈服强度157MPa，无论是总装吊点支架还是侧围外板均满足强度要求；从轻量化效果来看：优化后，总装吊点支架重量由157g降为116g，减重41g，减重率达26.1%，轻量化效果显著。

3 结论

本文基于刚度协调策略，对总装吊点支架进行了轻量化设计，结果表明，在满足强度要求的前提下，总装吊点支架重量降低了41g，减重率达26.1%，轻量化效果显著，验证了所提出的基于刚度协调的总装吊点支架轻量化设计方法的有效性，为汽车零部件的轻量化设计提供一种可借鉴的方法。

参考文献：

[1]崔勇.高速动车组车体静强度、模态及关键部件疲劳寿命研究[D].大连：大连交通大学，2019.

[2]谢素明，赵建，王成强.动车组铝合金车体结构刚度协调设计原则[J].大连交通大学学报，2016，37（05）：8-12.

[3]丁彦闯，兆文忠.提高焊接结构疲劳寿命的刚度协调策略与应用[J].焊接学报，2007（12）：31-34+114.

[4]白从凯，代鲁平，吕超，等.快捷货车转向架结构的刚度协调评估[C].中国铁道学会车辆委员会快捷货车转向架技术交流会论文集，2015：5.

[5]蔡芳芳.基于有限元的泵车转塔故障诊断及结构优化[J].工程机械与维修，2021（05）：20-21.

[6] Niu C， Xie S， Zhang T. Research on anti-fatigue design method of welded structure oriented to stiffness coordination strategy[J]. International Journal of Structural Integrity， 2021， 13（2）.