新能源汽车悬置轻量化设计分析探讨

1 引言  

动力总成悬置系统是支撑汽车动力总成、减缓汽车在行驶运输中各种冲击和降低噪音的重要系统，悬置系统主要包括，橡胶弹性单元部分，动力总成连接部分及车身支架连接部分。传统的动力总成悬置支架均采用铸铝、铸钢、或钣金材质。由于新能源汽车的整车装备重量直接影响汽车的续航里程，轻量化是新能源汽车的必要发展方向。汽车的轻量化最终要分解落实到相关零部件的轻量化上[1]。塑料及纤维复合材料在汽车工业中的应用日趋广泛，使用量持续增长，特别是在内饰件和外饰件零件中的应用[2]。

本文主要对采用短玻纤热塑性复合材料在动力总成悬置支架上的应用进行分析研究，考虑材料玻纤的各向异性，辅助计算机软件，阐述复合材料在动力总成悬置支架设计及分析过程的应用。

2 设计需求  

某款新能源汽车需要设计匹配动力总成悬置系统，在客户给定的车身安装边界及动力总成的参数上，设计与其动力总成配合的悬置弹性中心位置，悬置刚度及悬置结构。通过多体动力学软件获得悬置在各个工况下的受力。再通过FEA分析计算支架是否满足设计要求。此项目动力总成由三相异步电机、差速器和减速器组成。动力总成参数如表1。

表1 动力总成参数

2.1 计算悬置支架受力

将动力总成悬置简化为3向正交的弹簧阻尼模型，动力总成如图1所示。其中①②③表示3个悬置的安装位置。通过ADAMS多体动力学软件计算悬置系统在客户标准工况下受力，再分解到3个悬置上每个方向的受力。计算所得的部分工况力如表2。

图1 动力总成

表2 部分工况力

2.2 结构设计

此项目在设计时，③号悬置单个支架质量达到627克重，比其他两个悬置支架重量超过1倍之多。考虑优化效率，主要考虑将③号悬置重量降低，以达到客户要求。在优化过程中，正对该支架优化了多轮结构，部分结构如表3所示。从表中可以得出，轻量化结构重量较优化前轻了将近50%。

表3 结构对比

综合对比结构、重量、加工成本、生产效率，选择采用短玻纤热塑性复合材料。同时复合材料具有较高的阻尼特性，如图2。图2是某项目两种相同结构不同材料的力锤敲击实验测试结果，在结果中可以看出，短玻纤热塑性复合材料具有更高的阻尼特性[3]。

图2 力锤敲击实验

3 仿真分析  

对于热塑性材料的成型类型，采用仿真软件Moldflow，短玻纤复合材料在成型时，复合材料的玻纤有各项异性特性，基于此特性，采用复合特性分析软件Digimat，再结合有限元分析软件Abaqus的功能特点，联合仿真分析。其流程为，应用Moldflow获取悬置支架纤维分布方向信息，然后采用Digimat软件获得玻纤方向信息，建立复合材料模型，再采用Abaqus软件对悬置支架进行强度仿真分析，仿真分析流程如图3。

图3 仿真分析流程图

3.1 注塑成型分析

采用Moldflow 软件对悬置支架成型过程进行模流仿真分析，获得悬置支架在注塑过程中熔接线位置、气泡位置及玻纤分布方向。将悬置支架的三维模型（图4）导入到Moldflow软件中划分分析网格（图5）。对悬置支架进行注塑成型仿真分析，得到注塑成型后的悬置支架的玻纤取向模型（图6）。

图4 三维模型

图5 模流分析模型

图6 玻纤取向

3.2 材料异性参数

通过Digimat软件得悬置支架的复合材料模型，以及玻纤取向、玻纤形状、玻纤分布密度等信息。再采用Digimat-CAE均匀化方法获得悬置支架分析模型在不同位置的各向异性材料特征。

该方法通过代表性体积单元（Representative Volume Element，RVE）建立宏观与微观的联系。该微观应满足：其尺度充分小于结构尺度，相对于复合材料微观夹杂尺度充分大[4]。通过二步均匀化过程获得RVE上的平均响应[5]（图7）。在1步中，通常利用Mori-Tanaka方法生成有基本体、形状、方向的长径比相同的玻纤构成的颗粒，并且获得其等效刚度和玻纤含量，在第2步中，利用Voigt或Reuss理论[7]将所有网格均匀化，得到RVE 的等效材料属性。

通过整合集体及单个纤维基础的非线性属性和单个单元网格上的限位方向信息生产每个单元特定的材料数据，从而获得分析模型的材料异性参数数据。

图7 2步均匀化法

4 强度分析  

悬置支架强度校核，主要从两个方面考虑。分别是按照传统的材料各向同性仿真和考虑材料各向异性进行强度仿真分析。在两种情况下均加载相同的工况载荷，工况载荷如（表2）。悬置受力主要来自动力总成扭矩输出的反向力，及车辆运行及运输过程中支撑动力总成的加速度受力。按照标准，悬置支架满足上述工况力，基本上可以判定该支架能满足车辆的所有设计需求。后期在样件加工完成后，再进行试验场道路试验。

4.1 载荷及边界条件

在悬置橡胶弹性中心位置加载工况力，弹性中心点与悬置衬套外骨架橡胶硫粘接面耦合连接，外骨架与悬置支架过盈配合，配合面采用接触对处理。螺栓安装位置约束6自由度（图8）。

图8 约束-载荷

4.2 分析模型和网格划分

悬置支架使用PA66+45%玻纤复合材料，基体为聚丙烯，增强玻璃纤维含量45%。拉伸模量为16400MPa（详情见表4）。使用三维建模后直接导入Abaqus中，再使用Abaqus仿真计算表2中工况力。网格采用C3D8R6面体单元。（分析模型见图9）

图9 分析模型

表4 材料属性参数

5 仿真结果  

主要通过两种分析方法判断悬置支架结构是否满足设计需求；

（1）假设材料为各向同性时，分析悬置支架是否满足强度要求；

（2）悬置支架考虑各向异性时，断裂风险系数。

5.1 假设材料为各向同性时的仿真结果

假设材料为各向同性，为仿真分析时不考虑玻纤的分布与方向信息，得到悬置支架在工况载荷下的应力应变结果（见表5）。

表5 材料同性分析结果

由上表和图得知，应力值均较小，分析结果表明支架强度满足设计要求。理论分析应力主要集中在安装孔附近的加强筋上，通过经验初步判断，分析结果与实际较相符。后期破坏试验确认了断裂位置与分析一致（图10）。

图10 支架破坏试验

5.2 考虑材料各向异性特性时仿真结果

由于热塑性材料对应变应力状态（拉伸或压缩），纤维和应变率的依赖性很大，因此材料的失效模式也依赖于这些因素。UL TRASIM故障描述法，能够同时处理这些影响。

UL TRASIM故障描述法，指数是非线性的，通过比较应力、应变和相应的失效数值可以看出，大于0.6的数值接近最大应力。

在考虑复合材料各向异性特性，在分析过程中加入玻纤的分布方向信息。部分云图见图11。

图11 异性仿真分析结果

6 结语  

在通过两种方法仿真分析后，结果显示支架强度能够满足设计需求。在材料各向同性情况下，悬置支架静力学分析，强度均满足要求。在材料各项异性情况下，支架断裂分析均小于0.6.故此判断短玻纤热塑性复合材料设计的③号悬置支架能够满足设计要求，可以进行后续加工。

目前，此结构的样件台架实验及车辆路试实验均已完成。悬置支架处于小批生产状态，市场反馈尚无悬置支架断裂情况。

通过对路试验证悬置支架的可靠性，台架破坏实验验证悬置支架断裂位置，可以判断有限元仿真分析具有一定的可靠性。材料异性分析断裂风险参数能够反馈支架断裂风险系数，此分析方法具有参考意义。