精密铸铝件一体化设计及在车身轻量化中的应用

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.01.019

摘要/Abstract

摘要：

铝合金一体化精密铸造技术是实现汽车轻量化的重要方式之一。本文首先采用轻质铝合金材料、熔模真空吸铸工艺以及拓扑优化对白车身前副车架及仪表板横梁进行“材料-工艺-结构”一体化设计；其次对比一体化铝合金结构件的质量、研发成本、研制周期，较原钢制件大幅度降低；最后对加装一体化精密铸铝件的白车身进行刚度与模态的有限元仿真分析及台架试验。结果表明，一体化设计后，前副车架及仪表板横梁分别轻量36.6%、30.8%，同时白车身性能均满足设计要求。

关键词: 精密铸造, 一体化设计, 轻量化, 仿真分析, 台架试验

Abstract:

The integrated precision casting technology of aluminum alloy is one of the important ways to achieve lightweight of automobiles. Firstly， lightweight aluminum alloy material， investment vacuum suction casting process， and topology optimization are adopted to carry out an integrated design of "material， process and structure" for the front subframe and dashboard crossbeam of the white body in this paper. Secondly， the weight， research and development cost， and development cycle of integrated aluminum alloy structural components are compared to the original steel components， which are significantly reduced. Finally， finite element simulation analysis and bench tests are conducted on the stiffness and modal of the white body with integrated precision cast aluminum parts. The results show that after the integrated design， the front subframe and dashboard crossbeam has reduced weight by 36.6% and 30.8% respectively， while the performance of the white body meets the design requirements.

Key words: precision casting, integrated design, lightweight, simulation analysis, bench test

谷先广, 陈红林, 俞陆新, 张代胜. 精密铸铝件一体化设计及在车身轻量化中的应用[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 179-186.

Xianguang Gu, Honglin Chen, Luxin Yu, Daisheng Zhang. Integrated Design of Precision Aluminum Castings Parts and Its Application in Lightweight Vehicle Body[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(1): 179-186.

图/表 30

表1

图1

表2

表3

表4

图2

表5

图3

图4

图5

图6

图7

表6

表7

图8

图9

图10

表8

表9

表10

图11

表11

表12

图12

图13

表13

表14

图14

图15

表15

参考文献 13

1	LI S Q，FENG X Y.Study of structural optimization design on a certain vehicle body-in-white based on static performance and modal analysis［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2020，135：1-10.
2	SONG D F，JI H，YIN G F. Lightweight design of car body mechanism based on fatigue life［J］.Journal of Computational Methods in Sciences and Engineering，2021：1757-1777.
3	WANG C Q，WANG D F，ZHANG S. Design and application of lightweight multi-objective collaborative optimization for a parametric body-in-white structure［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2016，230（2）.
4	王登峰，李慎华.基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计［J］.中国机械工程，2021，32（13）：1584-1590，1637.
	WANG D F， LI S H. Lightweight optimization design of side impact safety components for body-in-white based on Pareto mining［J］.China Mechanical Engineering， 2021，32 （13）： 1584-1590，1637.
5	ZANG M，HU Y F，ZHANG S， et al. Crashworthiness of CFRP/aluminum alloy hybrid tubes under quasi-static axial crushing［J］.Journal of Materials Research and Technology-JMR&T，2020：7740-7753.
6	朱国华，张伟东，赵轩，等.CFRP多胞结构吸能机制及多工况耐撞性设计［J］.中国公路学报，2022，35（6）：339-354.
	ZHU G H， ZHANG W D， ZHAO X， et al. Energy absorption mechanism and multi mode crashworthiness design of CFRP multi-cell structures ［J］. Chinese Journal of Highway Engineering， 2022，35 （6）： 339-354.
7	SZEGDA D， MOHAMADE M， ZIANE M， et al.On thermal compensation of Hot-Form-Quench stamping die［J］.Materials Science and Engineering，2021，54（1）： 125-132.
8	马芳武，王卓君，杨猛，等.汽车后副车架轻量化概念设计方法研究［J］.汽车工程，2021，43（5）：776-783，790.
	MA F W， WANG Z J， YANG M， et al. Research on the lightweight conceptual design method for automotive rear subframe［J］. Automotive Engineering， 2021，43 （5）： 776-783，790.
9	汪永嘉，董红顺，张代胜，等.保险杠前防撞梁材料-结构一体化轻量化设计［J］.重庆理工大学学报（自然科学），2022，36（7）：86-93.
	WANG Y J， DONG H S， ZHANG D S， et al. Material structure integrated lightweight design of bumper front anti-collision beam ［J］.Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2022，36 （7）：86-93.
10	徐贵强，郑蕊，包学春，等.薄壁汽车零部件精铸工艺设计［J］.特种铸造及有色合金，2019，39（11）：1229-1231.
	XU G Q， ZHENG R， BAO X C， et al. Design of investment casting process for thin-walled automotive components［J］. Special Casting and Non ferrous Alloys， 2019， 39 （11）： 1229-1231.
11	孙宝德，王俊，康茂东，等.高温合金超限构件精密铸造技术及发展趋势［J］.金属学报，2022，58（4）：412-427.
	SUN B D， WANG J， KANG M D， et al. Precision casting technology and development trend of superalloy overrun components［J］.Journal of Metals， 2022，58 （4）： 412-427.
12	CAI Q， ZHANG X B， ZHANG Y J， et al. Research of hot tearing behavior of ZL205A alloy based on ProCAST numerical simulation［J］.Found Technol， 2015， 36： 1503.
13	王春辉，杨光昱，阿热达克·阿力玛斯，等.砂型3DP打印参数对ZL205A合金铸造性能的影响［J］.金属学报，2022，58（7）： 921-931.
	WANG C H， YANG G Y， AREDAKE A L M S， et al. Effect of sandmold 3DP printing parameters on the casting properties of ZL205A alloy［J］.Journal of Metals， 2022，58 （7）： 921-931.

Cu	Si	Mn	Ti	Be	Ca
4.90	0.03	0.40	0.21	<0.01	<0.01
Cd	Zr	Ga	V	Fe	AL
0.19	0.22	<0.01	0.18	0.02	余量

序号	制动工况A	倒车工况B	垂向工况C	转弯工况D	单轮跳动工况E
1	0.10	0.10	0.20	0.30	0.30
2	0.20	0.25	0.15	0.15	0.25
3	0.30	0.20	0.10	0.20	0.20
4	0.35	0.20	0.20	0.10	0.15

试验序号	试验因素					加权柔度值
试验序号	A	B	C	D	E	C（x）
1	0.1	0.1	0.2	0.3	0.3	0.094 5
2	0.111	0.278	0.167	0.167	0.278	0.084 5
3	0.125	0.25	0.125	0.25	0.25	0.091 2
4	0.133	0.267	0.267	0.133	0.2	0.110 8
5	0.25	0.125	0.188	0.25	0.188	0.111 2
6	0.211	0.263	0.211	0.105	0.211	0.099 8
7	0.174	0.174	0.174	0.261	0.217	0.068 2
8	0.211	0.211	0.109	0.158	0.316	0.112 1
9	0.353	0.118	0.118	0.118	0.294	0.092 7
10	0.24	0.2	0.16	0.16	0.24	0.103 6
11	0.3	0.2	0.2	0.15	0.15	0.099 3
12	0.261	0.174	0.13	0.261	0.174	0.097 5
13	0.35	0.1	0.2	0.15	0.2	0.112 8
14	0.304	0.217	0.087	0.261	0.13	0.099 2
15	0.318	0.182	0.136	0.091	0.273	0.089 5
16	0.292	0.167	0.167	0.167	0.208	0.105 2

铸铝件	振型描述	频率/Hz	设计目标频率/Hz
前副车架	1阶扭转	65.2	60
前副车架	1阶弯曲	205.0	180
仪表板横梁	1阶扭转	51.23	45
仪表板横梁	1阶弯曲	62.45	60

构件	振型描述	仿真频率/Hz	试验频率/Hz	设计目标频率/Hz
前副车架	1阶扭转	65.2	64.0	60
前副车架	1阶弯曲	205.0	199.1	180
仪表板横梁	1阶扭转	51.23	50.6	45
仪表板横梁	1阶弯曲	62.45	63.10	60