汽车工程 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (12): 2143-2153.doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.12.001
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收稿日期:
2024-04-30
修回日期:
2024-06-19
出版日期:
2024-12-25
发布日期:
2024-12-20
通讯作者:
王登峰
E-mail:caewdf@jlu.edu.cn
基金资助:
Zihao Meng,Dengfeng Wang(),Xiaopeng Zhang,Zifeng Zhang,Fengmin Lian,Jing Chen
Received:
2024-04-30
Revised:
2024-06-19
Online:
2024-12-25
Published:
2024-12-20
Contact:
Dengfeng Wang
E-mail:caewdf@jlu.edu.cn
摘要:
为提高电动载货汽车轻量化水平,本文提出了一种车架与电池舱一体化(cell to frame-简称“CTF”)结构。首先建立对标车型车架有限元模型,计算了其静力学性能与自由模态,并通过自由模态试验验证有限元模型的准确性。然后采用道路实采的多工况组合疲劳载荷谱在时域内运用名义应力法进行车架疲劳寿命分析。接着对经有限元分析验证合理的CTF结构初始设计进行试验设计并建立代理模型。最后采用全局响应面法进行优化设计,获得最佳轻量化方案。结果表明,优化设计后,CTF结构质量相较于传统的车架与电池舱分离设计结构轻量139.95 kg,轻量化率达14.09%,同时CTF结构力学性能与疲劳寿命均满足设计要求。
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表1
车架在4种工况下的吊耳约束情况、惯性载荷施加情况与动载荷系数"
工况 | 满载弯曲 | 满载扭转 | 紧急制动 | 紧急转弯 |
---|---|---|---|---|
左前悬架前吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ |
左前悬架后吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ |
右前悬架前吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | |
右前悬架后吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | |
左后悬架前吊耳约束情况 | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ |
左后悬架后吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ |
右后悬架前吊耳约束情况 | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ | UX, UY, UZ |
右后悬架后吊耳约束情况 | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ | UY, UZ |
惯性载荷施加 | 0.6g 制动惯性力 | 0.4g侧向惯性力 | ||
动载荷系数 | 2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
表4
试验设计矩阵"
序号 | DV1 | DV2 | DV3 | DV4 | DV5 | ··· | DV18 | DV19 | DV20 | DV21 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 5.74 | 3.76 | 8.26 | 16.96 | 6.51 | ··· | 4.84 | 5.31 | 7.35 | 11.26 |
2 | 6.58 | 4.72 | 7.42 | 13.12 | 5.82 | ··· | 5.69 | 6.63 | 8.29 | 10.51 |
3 | 7.42 | 3.28 | 6.58 | 18.88 | 6.48 | ··· | 5.25 | 5.92 | 8.20 | 9.31 |
4 | 8.26 | 4.24 | 5.74 | 15.04 | 6.84 | ··· | 5.63 | 6.46 | 7.30 | 10.66 |
5 | 5.07 | 4.91 | 6.41 | 20.03 | 6.85 | ··· | 5.22 | 4.54 | 9.07 | 10.81 |
··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· |
172 | 7.29 | 3.21 | 8.45 | 14.86 | 5.26 | ··· | 5.33 | 5.35 | 7.62 | 10.38 |
173 | 8.13 | 4.17 | 7.61 | 20.63 | 6.22 | ··· | 5.04 | 5.20 | 8.43 | 9.28 |
··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· |
275 | 4.95 | 3.58 | 8.85 | 15.21 | 5.72 | ··· | 4.88 | 5.63 | 8.57 | 9.50 |
276 | 5.79 | 4.54 | 8.01 | 11.37 | 6.86 | ··· | 5.33 | 4.81 | 6.62 | 9.81 |
277 | 6.63 | 3.10 | 7.17 | 17.13 | 4.82 | ··· | 5.50 | 4.15 | 7.58 | 8.17 |
278 | 7.47 | 4.06 | 6.33 | 13.29 | 5.49 | ··· | 5.27 | 4.64 | 8.83 | 9.95 |
279 | 8.31 | 5.02 | 5.49 | 19.05 | 5.84 | ··· | 5.64 | 5.18 | 7.93 | 11.30 |
表5
试验设计结果"
序号 | masstotal/kg | dispt max/mm | stressbd max/MPa | stresst max/MPa | stressbk max/MPa | stresst max/MPa | freq1/Hz | lifemin/循环 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 13.42 | 12.91 | 389.34 | 487.31 | 424.14 | 356.89 | 10.75 | 289 900 |
2 | 13.47 | 11.58 | 339.45 | 438.98 | 366.55 | 316.34 | 10.58 | 2 139 000 |
3 | 13.46 | 11.72 | 252.64 | 330.27 | 275.04 | 260.98 | 10.59 | 5 066 000 |
4 | 13.55 | 10.51 | 205.07 | 279.77 | 212.07 | 217.28 | 10.50 | 75 490 000 |
5 | 13.42 | 12.81 | 369.77 | 440.92 | 382.32 | 348.91 | 10.49 | 329 300 |
··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· |
172 | 13.45 | 12.02 | 380.04 | 478.04 | 405.48 | 339.72 | 10.36 | 5 538 000 |
173 | 13.53 | 10.70 | 212.31 | 316.42 | 219.15 | 214.69 | 10.36 | 39 390 000 |
··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· |
275 | 13.34 | 14.17 | 402.87 | 416.23 | 318.26 | 412.85 | 10.04 | 265 000 |
276 | 13.44 | 12.26 | 306.17 | 325.61 | 261.44 | 312.09 | 10.63 | 443 700 |
277 | 13.41 | 13.15 | 394.03 | 492.93 | 423.23 | 365.26 | 9.99 | 874 400 |
278 | 13.49 | 11.25 | 321.18 | 413.66 | 345.74 | 296.75 | 10.52 | 11 410 000 |
279 | 13.57 | 10.21 | 273.89 | 308.58 | 251.67 | 239.46 | 10.37 | 89 560 000 |
表7
CTF结构优化后各变量取值"
设计变量 | 代号 | 初始值/mm | 优化值/mm | 圆整值/mm |
---|---|---|---|---|
纵梁厚度 | DV1 | 7 | 6.29 | 7 |
加强梁厚度 | DV2 | 4 | 2.80 | 3 |
前横梁厚度 | DV3 | 7 | 4.90 | 5 |
前横梁连接板厚度 | DV4 | 16 | 10.80 | 11 |
前圆管梁厚度 | DV5 | 6 | 4.80 | 5 |
前圆管梁连接板厚度 | DV6 | 8 | 6.40 | 7 |
后圆管梁厚度 | DV7 | 6 | 4.80 | 5 |
后圆管梁连接板厚度 | DV8 | 8 | 6.40 | 7 |
第1电池舱底梁厚度 | DV9 | 10 | 9.2 | 10 |
第1电池舱底梁连接板厚度 | DV10 | 8 | 9.6 | 10 |
第2电池舱底梁厚度 | DV11 | 10 | 8.0 | 8 |
第2电池舱底梁连接板厚度 | DV12 | 8 | 6.4 | 7 |
第3电池舱底梁连接板厚度 | DV13 | 8 | 9.6 | 10 |
第1钢板横梁厚度 | DV14 | 5 | 4.0 | 4 |
第1钢板横梁连接板厚度 | DV15 | 7 | 8.99 | 9 |
第2钢板横梁厚度 | DV16 | 5 | 4.0 | 4 |
第2钢板横梁连接板厚度 | DV17 | 6 | 5.0 | 5 |
尾梁厚度 | DV18 | 5 | 4.0 | 4 |
尾梁连接板厚度 | DV19 | 5 | 4.0 | 4 |
电池舱底梁连接板加强肋厚度 | DV20 | 8 | 9.6 | 10 |
第3电池舱底梁厚度 | DV21 | 10 | 10.99 | 11 |
表8
优化后CTF结构与对标车架对比"
性能指标 | 对标车架 | CTF结构 | 对比 |
---|---|---|---|
弯曲工况最大应力/MPa | 347.36 | 326.70 | -5.95% |
扭转工况最大应力/MPa | 365.48 | 325.64 | -10.90% |
制动工况最大应力/MPa | 303.72 | 226.24 | -25.51% |
转弯工况最大应力/MPa | 335.91 | 325.81 | -3.01% |
弯曲工况最大变形/mm | 4.40 | 4.34 | - |
弯曲工况车架部分最大变形/mm | 4.40 | 4.34 | -1.36% |
扭转工况最大变形/mm | 11.80 | 16.31 | - |
扭转工况车架部分最大变形/mm | 11.80 | 11.38 | -3.56% |
制动工况最大变形/mm | 3.42 | 3.17 | - |
制动工况车架部分最大变形/mm | 3.42 | 3.17 | -7.31% |
转弯工况最大变形/mm | 5.86 | 8.09 | - |
转弯工况车架部分最大变形/mm | 5.86 | 8.09 | 38.05% |
1阶模态频率/Hz | 7.31 | 10.64 | 45.55% |
2阶模态频率/Hz | 12.63 | 12.24 | -3.09% |
3阶模态频率/Hz | 19.84 | 20.43 | 2.97% |
4阶模态频率/Hz | 20.38 | 23.14 | 13.54% |
5阶模态频率/Hz | 25.71 | 28.32 | 10.15% |
最危险点疲劳寿命(循环次数) | 2.82E+06 | 2.66E+06 | -5.67% |
最危险点疲劳寿命/万km | 107.79 | 101.67 | -5.68% |
车架质量/kg | 654.00 | 586.40 | -10.34% |
电池舱质量(不含动力电池)/kg | 339.27 | 266.92 | -21.33% |
车架与电池舱质量之和/kg | 993.27 | 853.32 | -14.09% |
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