基于材料輕量化的商用汽車駕駛室CAE分析與建模

孫 然

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽六安 237000）

汽車技術(shù)的飛速發(fā)展體現(xiàn)了我國制造業(yè)的快速更迭，也是我國重工業(yè)制造轉(zhuǎn)變的見證者[1]。在構(gòu)建汽車的材料研究領(lǐng)域，輕量化技術(shù)是該領(lǐng)域發(fā)展過程中的重要組成部分。面對國家計(jì)劃的節(jié)能減排和安全法規(guī)等因素，商用汽車駕駛室的輕量化設(shè)計(jì)成為了主流研究方向[2]。基于材料輕量化的商用汽車駕駛室設(shè)計(jì)，優(yōu)先滿足的應(yīng)該是駕駛安全性。在滿足基礎(chǔ)安全性上，再通過更優(yōu)化的汽車駕駛室結(jié)構(gòu)，通過全新的材料、技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步輕量化。輕量化材料在商用汽車駕駛室的應(yīng)用主要包括高強(qiáng)度材料減輕鋼板質(zhì)量以及低密度材料代替鋼板材料[3]。如今，汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向之一為商用汽車的車身輕量化。一般來說，絕大多數(shù)的商用汽車的駕駛室重量約占整車重量的40%-60%左右。因此，對商用汽車駕駛室的輕量化設(shè)計(jì)，是降低整車質(zhì)量、降低造成成本、提升用車安全性的重要途徑之一。實(shí)際上，作為非承載部件的商用汽車駕駛室，通過更輕量化的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠降低整車質(zhì)量進(jìn)一步節(jié)約成本，還能夠保證汽車生產(chǎn)過程中對環(huán)境的保護(hù)[4]。針對商用汽車駕駛室的輕量化，主要研究方向包括輕量化材料的應(yīng)用、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及駕駛室建模制造工藝的改進(jìn)等方面。

隨著對輕量化復(fù)合材料的不斷研究，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有顯著的輕量化表現(xiàn)，而且具有良好的設(shè)計(jì)性能以及完備的建模鑄造工藝，因此在商用汽車駕駛室的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上具有廣闊的前景[5]。針對CFRP輕量化復(fù)合材料的研究，有研究者構(gòu)建了多尺度本構(gòu)模型驗(yàn)證其框架性能，并構(gòu)建了電動(dòng)車骨架，在顯著降低車身重量的同時(shí)能夠很好地保證汽車整體的剛度以及性能[6]。此外，另有一些研究者結(jié)合沖擊和優(yōu)化等過程，通過CFRP輕量化材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃纖維保險(xiǎn)杠[7]，在保證整車質(zhì)量降低30%的情況下，還能夠改善整車受沖擊的性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了CFRP輕量化材料在汽車工業(yè)中的可行性。

本文以商用汽車駕駛室為研究對象，通過有限元建模方式研究駕駛室力學(xué)性能，并根據(jù)仿真結(jié)果選擇CFRP復(fù)合材料完成對駕駛室材料模型的替代。針對CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)的商用駕駛室，通過CAE模型進(jìn)行模擬分析，對比傳統(tǒng)材料構(gòu)建的商用駕駛室，驗(yàn)證CFRP輕量化復(fù)合材料的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)性能是否滿足汽車駕駛室設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而完成輕量化商用汽車駕駛室設(shè)計(jì)目的。

一 CFRP輕量化復(fù)合材料的性能分析

采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(CFRP)作為商用汽車駕駛室的建模材料。該材料的基礎(chǔ)為碳纖維束，通過碳纖維束的正交編制方式獲取較高的強(qiáng)度，并且具有很好的抗疲勞以及減震吸能的特性。由于CFRP復(fù)合材料具有較輕的重量，因此在制作商用汽車駕駛室具有良好的應(yīng)用。

首先，對該材料進(jìn)行性能測試分析，用以提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確率[8]。為了提升CFRP輕量化復(fù)合材料在商用汽車駕駛室CAE建模中的準(zhǔn)確性，首先對該材料進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，以準(zhǔn)確地獲取材料力學(xué)性能。在拉伸和彎曲試驗(yàn)中，從兩組試驗(yàn)樣品中選擇5組樣本進(jìn)行性能建模并計(jì)算力學(xué)性能。表1給出了CFRP輕量化復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)。

表1 CFRP輕量化復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)

在表1 獲取的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過ABAQUS建模軟件，對CFRP輕量化復(fù)合材料進(jìn)行有限元模型建模。針對建立好的有限元模型，首先提取出有限元模型去除剛體后的前六個(gè)階次的固有頻率和模態(tài)。隨后采用對CFRP輕量化材料復(fù)合板進(jìn)行錘擊試驗(yàn)方法，完成對該復(fù)合材料的模態(tài)分析試驗(yàn)[9]。通過錘擊方式對CFRP輕量化材料復(fù)合板進(jìn)行模態(tài)分析，表2為試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)的對比結(jié)果。從表2中的結(jié)果可以看出，考慮到CFRP輕量化復(fù)合材料具有較輕的質(zhì)量，以其構(gòu)建的加速度傳感器的移動(dòng)距離、固有頻率和模態(tài)等試驗(yàn)結(jié)果均在可接受的范圍內(nèi)。因此，CFRP輕量化復(fù)合材料具有良好的性能用于設(shè)計(jì)商用汽車駕駛室，通過CAE建模分析通過該復(fù)合材料建立的商用汽車駕駛室模型。

表2 CFRP輕量化復(fù)合材料試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)的對比結(jié)果

三 商用汽車駕駛室CAE建模

（一）商用汽車駕駛室CAE模型

本文的研究目標(biāo)為商用汽車駕駛室，采用最常使用的CAE分析軟件HyperMesh對商用汽車駕駛室進(jìn)行建模[10]。經(jīng)過CAE前期預(yù)處理后，優(yōu)化模型中的大部分尺寸較小的部件。一般情況下，商用汽車駕駛室的重要部件主要包括薄壁沖壓部件、四邊形殼單元等，通過HyperMesh軟件進(jìn)行模擬建模，一共構(gòu)建512933個(gè)部件單元，其中含有的三角形部件為14948個(gè)。為了保證商用汽車駕駛室的CAE模型在模擬中穩(wěn)定可靠，各個(gè)部件之間通過ACM焊完成連接，經(jīng)過上述過程形成如圖1所示的商用汽車駕駛室CAE模型。

圖1 商用汽車駕駛室CAE模型

（二）CAE模型剛度與模態(tài)分析

為了對商用汽車駕駛室的CAE模型進(jìn)行剛度分析，首先需要約束汽車駕駛室的后懸彈簧支架在所有方向上的自由度，以及約束汽車駕駛室的前懸彈簧支架在Z方向上的自由度[11]。在上述約束之上，分別計(jì)算商用汽車駕駛室CAE模型在彎曲和扭轉(zhuǎn)等狀態(tài)下的工況。其中，彎曲工況的設(shè)置為前懸彈簧支架Z方向上施加大小為1500 N的載荷，在此工況下模擬駕駛室中的人和作為的質(zhì)量，并通過HyperMesh計(jì)算應(yīng)力云圖。此外，扭轉(zhuǎn)工況則是在前懸彈簧支架上施加方向相反、大小為3750N的鉛錘力，在此工況下通過HyperMesh計(jì)算應(yīng)力云圖。圖2給出了在兩種工況下的HyperMesh仿真應(yīng)力云圖。

圖2 彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下的HyperMesh仿真應(yīng)力云圖

從圖2中給出的HyperMesh仿真應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出，在彎曲工況下，汽車駕駛室的變形主要集中在前部包圍，以及駕駛室地板的縱梁前端部分。其中，座椅下部的地板變形量為0.618mm，汽車駕駛室的彎曲剛度為47915.2N/mm。然而，在扭曲工況下，汽車駕駛室的變形主要集中在左右的前柱。由于左右前柱的變形導(dǎo)致駕駛室地板的縱梁懸架Z方向出現(xiàn)2.0495mm的位移，以及扭轉(zhuǎn)角度0.215°。根據(jù)扭轉(zhuǎn)的位移和角度可以通過HyerMesh計(jì)算出汽車駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度為17151.2N/mm。

此外，還需要對汽車駕駛室的CAE模型進(jìn)行模態(tài)分析。在模態(tài)分析中，通過NasTran求解器計(jì)算汽車駕駛室前6階次的頻率和振型[12]。表3為六個(gè)階次的頻率和振型情況。從表3中的結(jié)果可以看出，前三個(gè)振型包括整體的一階扭轉(zhuǎn)、側(cè)面和后面的局部模態(tài)，需要重點(diǎn)關(guān)注，尤其是第1階次存在的固有頻率整體。

表3 六個(gè)階次的頻率和振型情況

四 商用汽車駕駛室CAE模型的材料輕量化

（一）CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)

在本文的CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)中，最主要的目標(biāo)是減輕商用汽車駕駛室的重量，并提升駕駛室的一階扭轉(zhuǎn)頻率。從上述的商用汽車駕駛室的CAE模型剛度與模態(tài)分析基礎(chǔ)上選擇能夠從CEA模型上優(yōu)化的零部件，通過參數(shù)調(diào)整來優(yōu)化汽車駕駛室中的復(fù)雜載荷，獲得輕量化設(shè)計(jì)的承載個(gè)功能部件。其中，鑒于汽車駕駛室的CAE模型中的頂蓋、側(cè)圍以及后圍等部分的整體質(zhì)量較大，形狀較為規(guī)則且使用CFRP輕量化材料的面積也最多，因此將該部位作為輕量化的研究獨(dú)享。實(shí)際上，由于CFRP輕量化材料存在一定的脆弱性，而整片規(guī)則材料中大量開孔則會(huì)破壞CFRP輕量化材料中的碳纖維結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致駕駛室在受力過程中存在局部集中受力點(diǎn)的問題。綜上，本文在商用汽車駕駛室的材料輕量化設(shè)計(jì)中，主要在駕駛室金屬部件與CFRP輕量化材料之間進(jìn)行膠結(jié)方式完成連接。

（二）駕駛室靜止剛度分析

經(jīng)過CFRP的輕量化材料設(shè)計(jì)，需要對駕駛室進(jìn)行靜止的剛度分析[13]。在輕量化過程中，駕駛室在CFRP材料作用下由335.86kg下降到297.48kg，輕量化過程達(dá)到了38.38kg，下降比例為11.4%。此外，在彎曲工況下，輕量化后的駕駛室Z方向和駕駛室地板上的位移量分別達(dá)到了0.013mm和0.011mm。與此同時(shí)在扭轉(zhuǎn)工況下，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度則分別達(dá)到了4892.5N/mm和17215.4N/mm。表4為輕量化駕駛室與原始鋼結(jié)構(gòu)駕駛室的各項(xiàng)靜態(tài)剛度參數(shù)對比結(jié)果。

表4 輕量化駕駛室與原始鋼結(jié)構(gòu)駕駛室的各項(xiàng)靜態(tài)剛度參數(shù)對比結(jié)果

（三）駕駛室動(dòng)態(tài)性能分析

除了對CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)的駕駛室進(jìn)行靜態(tài)剛度分析之外，還需要對駕駛室進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析[14]。動(dòng)態(tài)性能主要包括在不同頻率下的駕駛室呈現(xiàn)的振型情況。表5為輕量化駕駛室與原始鋼結(jié)構(gòu)駕駛室的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)對比結(jié)果。從表5中的結(jié)果可以看出，經(jīng)過CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)之后，商用汽車駕駛室的第一階次扭轉(zhuǎn)頻率達(dá)到了27.39 Hz，比原始鋼結(jié)構(gòu)駕駛室的第一階次扭轉(zhuǎn)頻率高出了5.93 Hz，提升的比例達(dá)到了27.63%。此外，其他各個(gè)階次的頻率都獲得了不同程度的提升。因此，可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出CFRP輕量化材料，對于商用汽車駕駛室的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到扭轉(zhuǎn)第一階次頻率的目的。

表5 輕量化駕駛室與原始鋼結(jié)構(gòu)駕駛室的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)對比結(jié)果

商用汽車在路面行駛過程中，與駕駛室關(guān)聯(lián)較大的外部刺激主要包括路面、車輪以及發(fā)動(dòng)機(jī)的記錄里。實(shí)際上，在普通路況中，這些與駕駛室關(guān)聯(lián)較大的外部激勵(lì)都集中在20Hz以下。一般來說，商用汽車在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)路面正常行駛過程中，產(chǎn)生的激勵(lì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)顯著相關(guān)，可通過下式計(jì)算由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)獲得的頻率[15]：

其中，表示商用汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸個(gè)數(shù)，表示路面平穩(wěn)行駛過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本次仿真模型設(shè)計(jì)采用的是六缸四沖程水冷柴油機(jī)，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和怠速轉(zhuǎn)速分別為2200r/min和600r/min。根據(jù)上述公式，可以分別計(jì)算出本文設(shè)計(jì)的商用汽車正常路面行駛以及怠速狀態(tài)下的激勵(lì)頻率，分別為110Hz和30Hz。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)后的駕駛室模型，在第一階次上的扭轉(zhuǎn)頻率為27.39 Hz，但是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率則處于30Hz附近，因此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率處于第一階次和第二階次的兩個(gè)固有頻率之間。實(shí)際上，前兩個(gè)階次的頻率都與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的激勵(lì)頻率差距不大，容易在商用汽車駕駛室中產(chǎn)生共振的現(xiàn)象。對于接近柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率的模態(tài)情況，則需要在后續(xù)更多的研究中，通過CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)、改造駕駛室骨架，以及局部零部件的設(shè)計(jì)來解決。不同于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的駕駛室設(shè)計(jì)，CFRP輕量化材料設(shè)計(jì)的駕駛室則在更高的階次模態(tài)上避開了外界的激勵(lì)頻率，因而CFRP輕量化材料在商用汽車駕駛室的輕量化設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

五 結(jié)論

在本文中，通過CEA建模以及有限元分析，對CFRP輕量化材料構(gòu)建的商用汽車駕駛室完成了靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)性能分析。首先構(gòu)建了CFRP輕量化復(fù)合材料的本構(gòu)模型，并通過該模型對商用汽車駕駛室進(jìn)行靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)性能分析。在滿足商用汽車駕駛室剛度要求前提下，采用CFRP輕量化復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)建了輕量化商用汽車駕駛室CEA模型，并通過NasTran有限元建模軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP輕量化復(fù)合材料構(gòu)建的商用汽車駕駛室的靜態(tài)剛度基本保持不變。在模態(tài)分析中，輕量化材料的一節(jié)扭轉(zhuǎn)頻率提升了27.63%，駕駛室整體質(zhì)量下降了38.38kg，降幅達(dá)到了11.4%，具有較強(qiáng)的輕量化效果，且靜態(tài)剛度和模態(tài)分析結(jié)果驗(yàn)證了CFRP輕量化復(fù)合材料的可行性。由此可見，CFRP輕量化復(fù)合材料具有良好的剛度、模態(tài)特性，在商用汽車駕駛室的設(shè)計(jì)和構(gòu)建中具有廣闊的應(yīng)用前景。