(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

相關研究數(shù)據(jù)表明，車輛(乘用車)每減輕重量10% 即可降低油耗3.5%～6.0%[1]。因此減少車輛(乘用車)的重量成為減少能耗、提高經濟效益的一種有效辦法。但減少汽車的重量會影響汽車的安全性能，如發(fā)生碰撞時車輛的重量如果過小會導致變形量過大，從而影響到乘員的人身安全。本文主要研究當汽車的車架重量減少5%時，碰撞產生的變形量與以原重量車架碰撞產生變形量的不同，從而判斷將車架重量減少5%后車輛是否符合安全標準。采用實體車輛進行碰撞實驗成本高且重復性差，利用有限元仿真的方法模擬汽車在不同重量情況下碰撞的成本低，可重復性好。本研究選取某SUV汽車的車輛進行輕量化研究，項目來自某非承載式車身的SUV提升碰撞安全性(改動主要在原車架上提升縱梁的強度、增加碰撞吸能機構)后車架輕量化設計，要求車架在輕量化設計后碰撞安全性、車架彎曲剛度、扭轉剛度、模態(tài)均不降低。

1 汽車輕量化概念及車架結構

汽車輕量化，主要是在確保汽車安全性能的同時，能夠使汽車整備的重量獲得顯著降低，從而使汽車的動力性有所提高，在燃料的消耗方面有顯著降低。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備重量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車輕量化的主導思想是在汽車安全性能穩(wěn)步提高的前提下，實現(xiàn)對各總成零部件的節(jié)能優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)對車型譜的全面優(yōu)化[2-4]。汽車車架一般由縱梁和橫梁組成，其形式主要有邊梁式和中梁式兩種。

2 減重目標確定

首先要確定需要減輕的汽車總重量，然后根據(jù)減重方案把總的減重目標值分解到各系統(tǒng)、總成、部件，以及零件中。除重量目標值以外，大部分還要確定費用、增加成本、改動周期目標。從結構改良、材料選擇、減少配置等方面，根據(jù)減重策略、目標設計具體的減重策略。

3 SUV車架有限元模型的建立與研究流程

選取SUV汽車車架，利用hypermesh軟件進行車架的網(wǎng)格劃分。具體步驟如下：抽取IGES格式的SUV汽車模型的中面，用10 mm×10 mm的網(wǎng)格進行劃分。小于5 mm的螺栓連接孔直接忽略，5～8 mm的螺栓孔采用washer 5 mm和周圍6個節(jié)點的網(wǎng)格形式進行劃分。車架一共由24個部件組成，各部件之間采用rigid剛性單元連接來模擬真實的焊接，如圖1所示。車身大多使用鈑金件，其厚度設置為1.8 mm。車架總體網(wǎng)格總數(shù)為80 321個，均采用四邊形網(wǎng)格。四邊形網(wǎng)格較三角形網(wǎng)格有許多突出優(yōu)勢，如網(wǎng)格變形性好、仿真精度高、總體網(wǎng)格數(shù)量少、求解時間少等。

為保證SUV車架輕量化仿真的有效性和精確性，采用以下流程：

(1)利用catia或solidworks建立車架的幾何模型，本研究采用catia軟件；

(2)由于車架大部分是鈑金件，所以將幾何模型導入到hypermesh后進行中面抽取再進行網(wǎng)格劃分，用rigid單元進行網(wǎng)格間的連接，后賦予模型材料和屬性以及邊界條件；

(3)導出k文件，提交到LS-DYNA進行求解，若求解出現(xiàn)錯誤，依據(jù)求解錯誤提示返回hypermesh進行修改；

(4)若求解正確，將求解得到的d3plot文件導入到hyperview觀察變形量，然后得出實驗結論。

圖1 某SUV車架的有限元模型

4 模型材料參數(shù)的獲取和賦予

汽車部件的材料參數(shù)通過力學實驗獲得，車架的主要材料為鋼，在LS-DYNA求解器接口中主要是以matl24為代表，其密度為7.78e-9 t/mm3，彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3(無量綱)，屈服強度為338 MPa，車架不同部位零件密度略有差異，為了研究的方便統(tǒng)一采用較為普遍的7.78e-9 t/mm3的密度值。

5 仿真結果

本仿真研究采用不同重量SUV的底部車架以50 km/h的速度進行正碰，觀察其變形量，如圖2所示。其中，圖2(a)、圖2(d)為137 kg車架的碰撞仿真位移云圖，圖2(b)、圖2(c)為重量減少5%后即130 kg車架的碰撞仿真移云圖。

6 仿真結果分析

相關研究表明，40%的車輛交通事故都是正面碰撞，因此研究正碰時車輛車架的變形量，仿真采用車架以50 km/h的速度進行正碰。仿真結果以位移云圖表示，不同的變形量區(qū)間以不同的顏色表示，每個區(qū)間大小約為e2mm級，其中紅色為最大值，約為8.213e2mm，深藍色為0 mm。從仿真結果可以看出，重量減少5%后，在0.06 s時，減少重量后車架的位移比沒有減少之前的位移多7 mm左右。在0.08 s時，減少重量后車架后面部分的位移與沒有減少之前相差不多，兩者僅相差2 mm。由此可知，此SUV汽車的車架重量整體減少5%后汽車的安全性能改變不大，達到了輕量化效果，從而達到減少單位油耗量的目標。

圖2 車架碰撞仿真位移云圖

7 汽車輕量化材料的發(fā)展

目前很多汽車仍采用普通性能的鋼，但已開發(fā)出了很多新型材料，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。其中高強度鋼被用于許多部件，如白車身、副車架、車架等汽車零件上。目前，我國汽車市場的輕量化設計中，在保證安全及經濟效益的前提下，對高強度鋼板的厚度進行減薄處理可以大幅度地減少汽車整體的重量，以減少耗油率，達到節(jié)能減排的目的。

8 小結

利用hypermesh為前處理軟件，LS-DYNA為求解軟件，進行SUV汽車車架的仿真正碰，以不同重量車架在同一時間的變形量為觀察對象，同時以變形量為汽車車架安全性能的衡量指標進行分析，得出總重量為137 kg汽車底部車架在減少5%重量的情況下，在同一時間最大變形量為7 mm，最小變形量為3 mm，符合安全要求。

此仿真碰撞仍存在一些缺陷，后期有待研究：①僅僅是車架進行碰撞仿真，車輛其他部分會影響車架碰撞仿真的準確性；②車架沒有與地面接觸，地面會給整車一個摩擦力，車架沒有地面給予的摩擦力使受到的力偏大，對此可以進行深入地研究。