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基于CAE分析的鋁合金副車架安全性設計

   日期:2019-10-23     來源:汽車材料網    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
核心提示:在汽車行業,使用鎂、鋁合金等輕質材料實現減重的方法備受關注。本研究基于CAE技術對鋁合金副車架的疲勞性能進行仿真分析。采用AA6061鋁合金制成的副車架抗拉強度為310MPa。通過其與常見SAPH440鋼制副車架的對比,對其疲勞特性進行仿真分析。結果表明,采用AA6061替代SAPH440材料實現減重25%;同時通過使用靜態分析和權重因子的CAE疲勞特性模擬是一種疲勞特性分析的有效手段。   
   【中國汽車材料網】摘要:在汽車行業,使用鎂、鋁合金等輕質材料實現減重的方法備受關注。本研究基于CAE技術對鋁合金副車架的疲勞性能進行仿真分析。采用AA6061鋁合金制成的副車架抗拉強度為310MPA。通過其與常見SAPH440鋼制副車架的對比,對其疲勞特性進行仿真分析。結果表明,采用AA6061替代SAPH440材料實現減重25%;同時通過使用靜態分析和權重因子的CAE疲勞特性模擬是一種疲勞特性分析的有效手段。
  
  關鍵詞:減重 副車架 CAE 疲勞
  
  前言
  
  節能減排已成為全球汽車工業面臨的重要問題,為減少二氧化碳的排放,汽車制造商一直在研究提高燃油效率的技術,如降低整車重量、減少發動機摩擦損失等,輕質高強汽車結構的設計已成為迫切需求。然而,實現高強度和輕量化的平衡非常困難。為提升燃油銷量,汽車体球网多數關注發動機技術的改進。燃油效率的提升可從三個方面考慮:發動機和驅動系統效率的提高、能量損失的減少和汽車重量的減輕。這其中,輕型汽車的設計更為有效。
  
  汽車輕量化設計主要有兩個路徑:一是改善改善鋼制結構件中不必要的結構;二是使用鋁合金等輕質材料。前者的重點是通過使用低成本和可回收的鋼材來實現減輕重量,而后者主要用于高端車型,因為鋁合金等材料價格較為昂貴。目前,鋁合金的使用大幅增加,如汽缸體,汽缸蓋,活塞,鏈節,鋁輪,散熱器、保險杠、車身覆蓋件等。同時,全鋁車身也已被研究和開發。
  
  本研究以AA6061鋁合金制成的后副車架為研究對象,通過CAE對其結構進行分析和輕量化設計。同時分析模型,對其疲勞特性進行模擬預測。
  
  分析方法
  
  后副車架一般放置在轎車的后部下方,作為后輪和車身之間的連接。后輪通過連桿或臂連接到該部件,以確保懸掛的舒適。后副車架由前后橫梁和兩個側梁以及6個支架組成,如圖1。圖2示出了副車架組裝在整車上的模型及其連接點類型。表1為SAPH440鋼材和6061鋁合金的機械性能。
  


 
  測試的加載模型如圖3所示,其中,x、y、z方向分別為長度、寬度和高度方向。加載條件如表2所示。
  
  分析結果與討論
  
  本研究采用厚度為2.3mm的SAPH440鋼板和厚度為5.0mm的AA6061鋁板,其疲勞極限分別為208.8MPa(1,000,000次循環)和96.5MPa(5×108次循環)。建立載荷分布模型,圖4a-f給出了在PHB,PHC,RB,UV,OCS和LCS負載條件下由AA6061鋁合金和SAPH440鋼制成的副車架的強度分析結果。結果顯示,最大應力承載區域隨著載荷施加條件的不同而變化。由于鋁合金輕質材料的替代,最大應力區域發生了減小。
  
  表3a-e顯示了AA6061鋁合金和SAPH440鋼在PHB,PHC,RB,UV,OCS和LCS負載條件時考慮重量因子的副車架的最大應力和重量因子的結果對比。AA6061副車架的的重量系數低于SAPH440的重量系數,因此,鋁合金替代設計的輕質副車架具有安全保障。從這些結果也可以看出,疲勞動態特性可以在部件的初始開發階段通過使用簡單的靜態分析來驗證和預測,而無需基于權重因子進行疲勞模擬。
  
  圖5是基于CAE分析和重量優化設計后制成的鋁合金副車架。相比于SAPH440鋼制副車架的19.5kg,6061鋁合金副車架重量為14.7kg,實現減重25%。同時,通過靜態仿真和重量權重因子分析,是滿足疲勞安全性要求的一個有效方式。
  
  結論
  
  本文將SAPH440鋼制副車架優化為AA6061鋁合金副車架,通過模擬von Mises等效應力和疲勞極限,將應力轉化為與疲勞安全系數相同類型的權重函數,結果可以看出,通過過靜態CAE模擬可以簡單地預測疲勞特性。此外,制成的6061鋁合金和鋼(SAPH440)制副車架的重量分別為14.7和19.5kg,通過材料替代實現了25%的減重。且6061鋁合金副車架展示了比鋼制副車架更為優異的性能。
 
連接技術 新能源
標簽: 鋁合金 副車架
 
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