前言
隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，汽車(chē)行業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)。減輕車(chē)輛的質(zhì)量能夠使行駛阻力減小，從而減少能源消耗與排放［1］，研究表明［2-3］汽車(chē)質(zhì)量每減輕10%，燃油車(chē)油耗將降低6%～8%，新能源車(chē)平均續(xù)航里程將增加5%～8%。輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要途徑，輕量化材料中鋁合金性?xún)r(jià)比最高，在車(chē)身零件上的應(yīng)用廣泛，高壓真空壓鑄工藝進(jìn)一步提升了鋁合金零件的生產(chǎn)效率，推動(dòng)了輕合金鑄件向大型、復(fù)雜、薄壁方向的快速發(fā)展［4］。近年來(lái)壓鑄鋁合金逐步應(yīng)用于前輪罩［5］、減震塔［6］、后地板［7］等大尺寸復(fù)雜關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，鋁合金一體化壓鑄車(chē)身成為各汽車(chē)主機(jī)廠商爭(zhēng)相研發(fā)熱點(diǎn)［7］。一體化壓鑄將多個(gè)零件集成設(shè)計(jì)成為一個(gè)件，減少了零件數(shù)量和模具數(shù)量、設(shè)備占地空間、人員投入等，從而減少生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期以及碳排放，且集成一體化車(chē)身不需要焊裝，尺寸精度更高。在汽車(chē)制造中結(jié)合輕質(zhì)材料和一體化壓鑄技術(shù)制備輕型、大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金零件，有利于輕量化，是提高能源效率和控制排放的關(guān)鍵手段［8］。
在對(duì)傳統(tǒng)車(chē)身鈑金結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化上，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了較多研究。Liu 等［9］基于協(xié)同優(yōu)化方法和響應(yīng)面模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙和懸架DOS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了整車(chē)耐撞性。雷正保等［10］使用基于混合元胞自動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化方法，設(shè)計(jì)出了一種滿(mǎn)足碰撞相容性和正面碰撞安全性的新型車(chē)身頭部結(jié)構(gòu)。付軍鵬［11］基于側(cè)面柱碰仿真，對(duì)門(mén)檻梁和座椅橫梁進(jìn)行優(yōu)化，使電池模組最大變形達(dá)到要求。趙笠程［12］基于NSGA-II 算法，綜合考慮彎-扭剛度和模態(tài)性能對(duì)白車(chē)身零件進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，使白車(chē)身質(zhì)量減輕9.1 kg。相較傳統(tǒng)鈑金，一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件能提高輕量化效果。Mao 等［13］設(shè)計(jì)了一種鋁合金壓鑄減震塔，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，在保證剛度的同時(shí)使減震塔質(zhì)量比原始鋼制結(jié)構(gòu)減輕了45%。林佳武等［14］設(shè)計(jì)了一種一體壓鑄鋁合金后縱梁，實(shí)現(xiàn)了后縱梁結(jié)構(gòu)的模塊化和輕量化，質(zhì)量比原件減輕31%。使用一體化鋁合金零件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)時(shí)，如何進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提升輕量化水平，并保證可鑄造性、NVH、被動(dòng)安全等性能，仍有待研究，是一體化壓鑄車(chē)身技術(shù)應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型一體化壓鑄車(chē)身結(jié)構(gòu)的研究剛起步，文獻(xiàn)較少，本文對(duì)一體化壓鑄鋁合金前機(jī)艙進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，對(duì)前艙進(jìn)行集成、主要截面和框架設(shè)計(jì)后，通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化提取出了扭轉(zhuǎn)載荷路徑并對(duì)一體化壓鑄前艙進(jìn)行輕量化尺寸優(yōu)化，考慮可鑄造性確定了鑄件拔模方向與筋的分布。針對(duì)一體化前艙車(chē)身，根據(jù)C-NCAP 2021 進(jìn)行FRB 和MPDB 正面碰撞仿真分析，得到了鑄件壁厚梯度優(yōu)化方案，優(yōu)化后在質(zhì)量增加較小的情況下使耐撞性得到顯著提升。對(duì)于優(yōu)化后的前艙，進(jìn)一步進(jìn)行了CAE 結(jié)構(gòu)性能仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明白車(chē)身剛度、模態(tài)等性能滿(mǎn)足要求，且剛度相較于傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)有提升。
1 一體化前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 集成設(shè)計(jì)
確定一體化前艙集成方案，基于某新能源乘用車(chē)型鋼制車(chē)身，將包括左右前縱梁及其加強(qiáng)板、左右前輪罩及其加強(qiáng)板、前圍板、左右減震塔、前地板前段等主要功能區(qū)域的71個(gè)鈑金件集成設(shè)計(jì)為1個(gè)鑄鋁件，該鑄鋁件須滿(mǎn)足原有接口要求以及性能要求，集成方案如圖1 所示。前縱梁與減震塔結(jié)合設(shè)計(jì)成“C”型腔體，安裝點(diǎn)主要適配前輪包絡(luò)、前減震彈簧、前懸架、動(dòng)力電池等，匹配車(chē)身前端結(jié)構(gòu)中，shotgun 前端設(shè)計(jì)一體式連接立柱連接至前縱梁前端。原車(chē)型鋼制前艙包含71個(gè)零件，總質(zhì)量為48 kg，集成后的一體化鋁合金前艙質(zhì)量為44.7 kg，尺寸為840 mm×1536 mm×665 mm。
圖1 一體化前艙集成區(qū)域
1.2 主體框架和截面設(shè)計(jì)
進(jìn)行一體化前艙的主體框架設(shè)計(jì)，并根據(jù)周?chē)罱逾k金進(jìn)行基礎(chǔ)大面設(shè)計(jì)縱向載荷傳遞主要依靠前縱梁及前端連接件；橫向載荷傳遞主要依靠前圍下部實(shí)現(xiàn)；垂直載荷傳遞借助于前輪罩減震塔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)原始鋼制車(chē)身確定縱梁的基本截面和位置，完成鑄件本體以及鑄件周邊其它車(chē)身零件的斷面設(shè)計(jì)，確定基本的連接以及鑄件本體主要搭接邊結(jié)構(gòu)，并根據(jù)斷面完成鑄件基本大面設(shè)計(jì)。鑄件主體框架和主要斷面如圖2 所示，A-A 為鑄件前縱梁區(qū)域截面，Y 向進(jìn)行開(kāi)口設(shè)計(jì)以適配鋼制前縱梁；BB 為減震塔區(qū)域截面，C-C 為前圍橫梁與前地板前段區(qū)域主要截面。
圖2 主要截面
2 輕量化設(shè)計(jì)
2.1 拓?fù)鋬?yōu)化
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，為給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束找到最優(yōu)的拓?fù)浠虿季址浅Ｖ匾?5］。一般來(lái)說(shuō)，性能提升意味著增加額外的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，而如何通過(guò)在合適的位置增加最少的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)性能最大的提升是輕量化設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)［16］。拓?fù)鋬?yōu)化是解決這一問(wèn)題的重要途徑，根據(jù)構(gòu)件中的載荷分布實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)分布，利用這種方法來(lái)設(shè)計(jì)車(chē)身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種普遍的方式［1］。前艙結(jié)構(gòu)集成了不同的功能區(qū)域，包括前縱梁、前圍橫梁、地板、減震塔等區(qū)域，對(duì)碰撞、NVH、靜剛度等性能均有一定的影響，一體化前艙各區(qū)域的厚度尺寸和筋的分布都對(duì)剛度和質(zhì)量有較大的影響，特別是減震塔和地板橫梁等區(qū)域，本文首先考慮剛度進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。
拓?fù)鋬?yōu)化常用方法有變密度法、均勻化方法、水平集方法等。變密度法以連續(xù)變量的密度函數(shù)顯式地表達(dá)單元相對(duì)密度與材料彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋求結(jié)構(gòu)最佳的傳力路線，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的材料分布［17］。變密度法又可分為SIMP 法和RAMP 法，本文采用實(shí)體各向同性材料懲罰（SIMP）方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，SIMP模型為
式中：E（xi）為插值后的彈性模量；E0為實(shí)體材料彈性模量；xi為單元相對(duì)密度，取值范圍為0～1，取0 表示無(wú)材料，取1表示有實(shí)體材料；p為懲罰因子，對(duì)設(shè)計(jì)變量中出現(xiàn)的中間密度值進(jìn)行懲罰。拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如式（2）所示，在質(zhì)量約束下求最小柔度即最大剛度來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。
式中：C為結(jié)構(gòu)柔度；F為載荷；U為位移；K為結(jié)構(gòu)剛度；M 為優(yōu)化后的質(zhì)量；M0為初始質(zhì)量；f為保留的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；XL 和XU 分別為單元相對(duì)密度的下限和上限。
使用有限元軟件hypermesh&optistruct 對(duì)集成后的前艙進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。首先建立有限元模型，使用四面體單元對(duì)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并以該包絡(luò)空間為優(yōu)化對(duì)象，根據(jù)白車(chē)身扭轉(zhuǎn)工況對(duì)后彈簧減震器支座的123 自由度進(jìn)行約束，對(duì)左右前懸中心施加2 000 N·m的力矩，以模擬白車(chē)身在扭轉(zhuǎn)工況下的受力狀態(tài)，并在optistruct 中進(jìn)行求解。前艙扭轉(zhuǎn)最優(yōu)載荷傳遞路徑如圖3所示。
圖3 載荷傳遞路徑
2.2 考慮可鑄造性的輕量化設(shè)計(jì)
2.2.1 拔模方向分析
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往無(wú)法直接用于制造，與鋼制板件不同，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮零件的可鑄造性，如拔模方向，還常常設(shè)置筋條以保證金屬液在模具中的充型流動(dòng)。對(duì)一體化前艙的可鑄造性進(jìn)行分析，得到拔模方向，如圖4 所示，動(dòng)模和定模拔模方向?yàn)閆 向，抽芯1、抽芯2拔模方向?yàn)閅向，抽芯3、抽芯4、抽芯5拔模方向?yàn)閄向。
圖4 拔模方向
2.2.2 筋的設(shè)計(jì)
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化載荷路徑進(jìn)行筋的設(shè)計(jì)，筋的厚度與方向必須使其能夠順利出模，且筋的形狀需要滿(mǎn)足鑄造充型流動(dòng)要求。為了對(duì)前艙進(jìn)行加強(qiáng)，在前縱梁區(qū)域間隔布置C 型筋，隨后沿此加強(qiáng)筋在前輪罩內(nèi)部布置交叉筋，以傳遞正面載荷，拔模方向?yàn)閅 向。根據(jù)載荷路徑，在減震塔區(qū)域布置豎筋，減震塔頂布置多層圓形凸筋，以提高剛度，拔模方向?yàn)閆向；在前圍橫梁處設(shè)置加強(qiáng)筋提升橫梁連接和結(jié)構(gòu)剛度，拔模方向分別為Z向、X向。
2.2.3 壁厚尺寸優(yōu)化
一體化前艙的集成度較高，不同區(qū)域具有不同的功能，故可采用變料厚設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化。鑄件的壁厚不宜太厚，避免鑄造過(guò)程中由于凝固順序不同產(chǎn)生縮孔。一般區(qū)域如搭接邊和加強(qiáng)筋減小料厚（3～5 mm）；前減振器、羊角、托架安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)增加料厚（5～8 mm）以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
基于拓?fù)鋬?yōu)化載荷路徑，結(jié)合性能需求，進(jìn)行關(guān)鍵路徑識(shí)別，非關(guān)鍵路徑進(jìn)行弱化輕量，優(yōu)化鑄件的壁厚和加強(qiáng)筋尺寸。輕量化優(yōu)化路徑識(shí)別結(jié)果如圖5 所示，前輪罩、前縱梁、前地板部分區(qū)域不在路徑上，因此將部分基礎(chǔ)面減至2.8 mm，在傳遞路徑上的面增加到4 mm。同時(shí)由于②處前縱梁和輪罩加強(qiáng)筋不在傳遞路徑上，降低筋的高度。③處輪罩外加強(qiáng)筋不在路徑上，因此對(duì)部分加強(qiáng)筋進(jìn)行輕量設(shè)計(jì)，降低豎筋的高度，同理，可對(duì)④處地板加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化。
圖5 關(guān)鍵路徑識(shí)別結(jié)果
經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)后，一體化鋁合金前艙質(zhì)量為40.91 kg，輕量達(dá)到3.79 kg，占原始鋼制結(jié)構(gòu)質(zhì)量的7.9%，該優(yōu)化設(shè)計(jì)的輕量化效果顯著。
3 碰撞安全性設(shè)計(jì)
3.1 正面碰撞仿真分析
車(chē)身的碰撞安全性能十分重要，它能夠保護(hù)駕駛員和乘員在發(fā)生交通事故時(shí)不受到嚴(yán)重傷害。正面碰撞事故發(fā)生數(shù)量在所有交通事故中的占比最高［18］，正面碰撞事故中車(chē)身會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，使駕駛員與乘員受到傷害。因此，正面碰撞是車(chē)身碰撞安全性的一個(gè)重要評(píng)價(jià)方式，可靠的車(chē)身結(jié)構(gòu)是吸收碰撞能量、保護(hù)乘員安全的關(guān)鍵。本文根據(jù)我國(guó)最新汽車(chē)碰撞安全法規(guī)規(guī)定［19］，進(jìn)行了正面100%重疊剛性壁障（FRB）和正面50%重疊移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障（MPDB）碰撞仿真。
3.1.1 FRB碰撞
針對(duì)上文輕量化設(shè)計(jì)后的一體化鑄鋁前艙，進(jìn)行整車(chē)FRB 碰撞仿真，驗(yàn)證此車(chē)身的碰撞安全性。首先建立整車(chē)有限元模型和正面碰撞剛性壁障模型，根據(jù)法規(guī)將壁障設(shè)置為靜止，壁障在碰撞過(guò)程中不發(fā)生變形，設(shè)置為剛性材料。試驗(yàn)車(chē)速為50 km/h，與壁障進(jìn)行完全正面碰撞。設(shè)置完成后將FRB 碰撞模型輸出為K 文件，導(dǎo)入到LSDYNA 中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)行可視化。
汽車(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠撞擊壁障，縱向結(jié)構(gòu)受到擠壓，發(fā)動(dòng)機(jī)后移撞擊防火墻［20］。前圍直接與駕駛艙接觸，其變形須限制在一定范圍內(nèi)，如果前圍板侵入量過(guò)大，那么必然會(huì)對(duì)前排乘客的小腿以及腳部產(chǎn)生傷害。根據(jù)C-NCAP［19］規(guī)定的測(cè)量方法，在各個(gè)關(guān)注區(qū)域設(shè)置測(cè)量點(diǎn)來(lái)獲得其侵入量、加速度等參數(shù)，以評(píng)判整車(chē)的性能指標(biāo)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。根據(jù)仿真結(jié)果，加速踏板中心X 向位移為82.7 mm，位移較大，不滿(mǎn)足要求。加速踏板中心侵入量隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。
圖6 FRB加速踏板中心位移
正面碰撞過(guò)程中，若將質(zhì)量看做恒定，那么從力學(xué)角度，碰撞能量吸收與碰撞加速度波形即碰撞脈沖有著密切關(guān)系［21］，碰撞加速度需要受到限制避免慣性力對(duì)乘員頭部和胸部的傷害?？梢詫⑴鲎裁}沖等效為兩段臺(tái)階梯形波［22］，本文車(chē)輛動(dòng)力總成前置，提高第1段臺(tái)階波形，降低第2段臺(tái)階波形更有利于安全。為了保護(hù)乘員，B柱下側(cè)第1峰值加速度a1應(yīng)大些，最大峰值加速度越小越好。對(duì)B 柱加速度波形進(jìn)行分析，如圖7 所示：最大峰值加速度均小于40g，滿(mǎn)足要求；第1 峰值加速度出現(xiàn)在15 ms 左右，分別為11.9g和12.3g，不滿(mǎn)足要求。
她不穿襪子，任憑俊氣的、涂了紅色指甲油的腳指頭從兩只白涼鞋的露孔中鉆出來(lái)，更加惹人注意。這很像咖啡館里的光線，是種撩撥人的暗色的場(chǎng)景。使人聯(lián)想到某個(gè)深夜里的某一種夢(mèng)境，伴著咖啡館里細(xì)碎的音樂(lè)，肆意的彌漫和張揚(yáng)。
圖7 FRB中立柱加速度波形
3.1.2 MPDB 碰撞
接下來(lái)對(duì)整車(chē)進(jìn)行MPDB 碰撞仿真，與FRB 碰撞相比，剛性固定壁障變?yōu)榭梢苿?dòng)漸進(jìn)變形壁障，其他建模步驟基本相同，測(cè)量點(diǎn)也一致。MPDB 壁障與碰撞車(chē)偏置，寬度重疊50%，二者分別以50 km/h的速度對(duì)撞，同樣對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化。
與FRB 相同，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油門(mén)踏板中心、制動(dòng)踏板中心的侵入量不滿(mǎn)足要求，如圖8 和圖9 所示。加速踏板中心X 向侵入量為114.6 mm，制動(dòng)踏板中心X 向侵入量為102.8 mm，有較大的安全隱患。同時(shí)，MPDB 與FRB 碰撞仿真結(jié)果具有不同的變形趨勢(shì)，F(xiàn)RB 碰撞侵入量與加速度峰值超出目標(biāo)，而MPDB 碰撞只有侵入量在很大程度上超出了目標(biāo)。
圖8 MPDB碰撞加速踏板中心位移
圖9 MPDB碰撞制動(dòng)踏板中心位移
3.2 耐撞性?xún)?yōu)化
3.2.1 優(yōu)化策略
發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)身應(yīng)能管理沖擊力，并以可控和可預(yù)測(cè)的方式將大部分沖擊能量轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。研究表明，在正面碰撞過(guò)程中，碰撞能量主要通過(guò)車(chē)身前端結(jié)構(gòu)的變形吸收［18］，Abbasi 等［23］提出車(chē)身前部“潰縮區(qū)”概念，進(jìn)行碰撞能量管理，對(duì)主要零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化，以減小乘員胸部的峰值減速度。Li等［24］通過(guò)仿真分析得到完全重疊正面碰撞中關(guān)鍵零部件的力傳遞和能量吸收比例，發(fā)現(xiàn)前縱梁的力傳遞和能量吸收占比分別大于75%和34.5%。可見(jiàn)，前縱梁是正面碰撞中傳遞力和吸收能量的關(guān)鍵部件，通過(guò)前縱梁的設(shè)計(jì)可以提高車(chē)輛的正碰耐撞性。Duan 等［25］應(yīng)用變厚度軋制技術(shù)，對(duì)前縱梁內(nèi)板的厚度分布進(jìn)行了優(yōu)化，減輕了零件的質(zhì)量，碰撞能量吸收增加的同時(shí)峰值加速度減小。
為改善前端結(jié)構(gòu)變形，減少前圍入侵量并優(yōu)化加速度波形，針對(duì)3.1 節(jié)中不滿(mǎn)足要求項(xiàng)，本文選擇前縱梁內(nèi)板、前縱梁外板以及一體化鑄件縱梁區(qū)域作為優(yōu)化對(duì)象，對(duì)厚度進(jìn)行優(yōu)化。將鑄件縱梁區(qū)沿縱向分為4個(gè)區(qū)域，在原始設(shè)計(jì)中，這些區(qū)域的厚度一致，t1=t2=t3=t4=2.8 mm，前縱梁內(nèi)板厚度t5=1.6 mm，前縱梁外板厚度t6=1.4 mm，如圖10所示。
圖10 耐撞性?xún)?yōu)化方案
采用Taguchi正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，取不同水平的厚度組合進(jìn)行分析?？紤]到壁厚對(duì)可鑄性的影響，t1、t2、t3、t4 4 個(gè)因子具有4 個(gè)水平，分別為3、4、5、6 mm；t5、t6 2 個(gè)因子具有4 個(gè)水平，分別是1.2、1.4、1.6、1.8 mm，最終形成正交表L25（56），如表1 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建響應(yīng)面模型，2 階多項(xiàng)式響應(yīng)面模型如下：
表1 L25（56）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
得到SM、a、m 的近似目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化得到最優(yōu)厚度組合。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：
綜合考慮，從帕累托前沿中選取最優(yōu)厚度組合為t1=6 mm，t2=6 mm，t3=5 mm，t4=4 mm，t5=t6=1.2 mm。相較于原始設(shè)計(jì)，梯度設(shè)計(jì)加強(qiáng)了鑄件，減弱前縱梁能夠提高前縱梁發(fā)生軸向壓潰變形的趨勢(shì)而非切向折彎變形的趨勢(shì)，使能量盡可能被縱梁前段吸收，減小對(duì)鑄件與乘員艙的入侵，進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。
圖11 為優(yōu)化前后的MPDB 碰撞前圍變形情況，可以看出優(yōu)化方案改善了前圍變形，原設(shè)計(jì)前圍防火墻最大侵入量SM為127.7 mm，優(yōu)化后最大侵入量為87.4 mm，最大侵入量下降了31.56%。表2 給出了優(yōu)化方案與原方案的耐撞性和質(zhì)量對(duì)比，這里考慮了3.1 節(jié)中的未達(dá)標(biāo)項(xiàng)和前圍最大侵入量，其中a、S1、S2、S3分別代表FRB 碰撞第1 峰值加速度、加速踏板中心X 向位移和MPDB 碰撞制動(dòng)踏板中心、加速踏板中心X 向位移。圖12 給出了優(yōu)化后的a、S1、S2、S3計(jì)算結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果表明，侵入量S1、S2、S3分別下降73.40%、27.04%、52.62%，a 增加18.49%，優(yōu)化了加速度波形，優(yōu)化后的前艙質(zhì)量為41.35 kg，質(zhì)量m 增加了0.435 kg，占優(yōu)化前的1.06%，在質(zhì)量增加較小的情況下，耐撞性得到了較大的改善。
表2 優(yōu)化前后耐撞性能對(duì)比
圖11 優(yōu)化前后MPDB碰撞前圍入侵變形對(duì)比
圖12 優(yōu)化后的耐撞性指標(biāo)
4 CAE性能驗(yàn)證分析
由于汽車(chē)在路面上行駛時(shí)會(huì)受到不同類(lèi)型的載荷，白車(chē)身需要具有足夠的剛度，主要包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，它們對(duì)碰撞、振動(dòng)、耐久等性能有著重要的影響［26］。汽車(chē)在行駛過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自?xún)?nèi)部或路面的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)，共振不僅可能引起結(jié)構(gòu)件的失效，還會(huì)導(dǎo)致乘員不舒服，對(duì)車(chē)輛的安全性和舒適性產(chǎn)生重要影響［12］，白車(chē)身模態(tài)固有頻率應(yīng)避開(kāi)激勵(lì)的頻率范圍，避免發(fā)生共振。因此，針對(duì)上文優(yōu)化設(shè)計(jì)后的一體化前艙及車(chē)身，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和彎曲工況仿真分析，以驗(yàn)證白車(chē)身剛度和模態(tài)是否滿(mǎn)足要求。
4.1 白車(chē)身剛度
白車(chē)身剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)工況是汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)車(chē)身的受載情況，彎曲工況是滿(mǎn)載狀態(tài)下，行駛在平坦路面上時(shí)的車(chē)身承載情況。與2.1 節(jié)相同，進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分等操作，建立有限元模型，施加扭轉(zhuǎn)和彎曲工況載荷和約束，進(jìn)行仿真分析，得到扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度大小，位移云圖如圖13所示。
圖13 位移云圖
扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為
式中：L 為前懸到測(cè)點(diǎn)的Y 向距離；Z 為前懸安裝點(diǎn)的Z 向位移；T 為扭轉(zhuǎn)力矩，大小為2 000 N·m。扭轉(zhuǎn)工況仿真結(jié)果表明，Z=0.926 mm，計(jì)算得G=22 957 N·m/（°）。
彎曲剛度計(jì)算公式為
式中：F 為彎曲工況下對(duì)座椅安裝點(diǎn)施加的載荷，大小為4 000 N；L 為門(mén)檻梁最大Z 向位移。根據(jù)彎曲工況仿真結(jié)果，L=0.175 mm，計(jì)算得K=22 857 N/mm。扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
4.2 白車(chē)身模態(tài)
白車(chē)身低階模態(tài)對(duì)性能影響最為顯著［27］，因此本文只考慮1 階模態(tài)，固有頻率應(yīng)盡可能高以避免共振。根據(jù)仿真分析，計(jì)算得到了白車(chē)身1 階彎曲和1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，如圖14所示。
圖14 白車(chē)身模態(tài)
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，白車(chē)身1 階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為40.1 Hz，1 階彎曲振動(dòng)頻率為39.8 Hz，能有效避免路面激勵(lì)導(dǎo)致的共振，符合行駛工況對(duì)白車(chē)身的模態(tài)要求。
4.3 性能變化分析
表3 為鈑金方案車(chē)身與一體化方案車(chē)身的性能對(duì)比，其中鈑金方案為傳統(tǒng)鋼制車(chē)身，在前期研究中得到了其性能參數(shù)，一體化方案車(chē)身使用一體化壓鑄鋁合金前艙并進(jìn)行了優(yōu)化。從表3 可以看出，與鈑金方案相比，一體化方案彎曲剛度提升9.7%，幅度較大；扭轉(zhuǎn)剛度下降0.5%，可認(rèn)為基本不變，1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)提高3.4%，彎曲模態(tài)下降1.7%，模態(tài)可認(rèn)為基本不變。對(duì)性能變化進(jìn)行分析，采用鋁合金鑄件后，材料彈性模量降低，對(duì)模態(tài)與剛度有負(fù)面影響；而材料密度降低，減震塔及縱梁區(qū)域結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，對(duì)模態(tài)和剛度有正面影響。綜合來(lái)看，扭轉(zhuǎn)剛度和1 階模態(tài)整體變化不大，白車(chē)身彎曲剛度有明顯提升。若要繼續(xù)提升白車(chē)身剛度和模態(tài)性能，需要進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與優(yōu)化，這可以是鑄件，也可以是其他結(jié)構(gòu)件，如車(chē)身環(huán)形結(jié)構(gòu)。
表3 一體化方案與鈑金方案性能對(duì)比
5 結(jié)論
本文在某車(chē)型傳統(tǒng)鋼制車(chē)身的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)車(chē)身的71 個(gè)鋼制沖壓件集成為一個(gè)鑄鋁件，進(jìn)行了一體化壓鑄鋁合金前艙車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，得出了以下結(jié)果。
（1）根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)合可鑄造性分析對(duì)筋和壁厚尺寸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終一體化鋁合金前艙的質(zhì)量為41.35 kg，相較于原始鋼制結(jié)構(gòu)的48 kg，輕量達(dá)到6.65 kg，占比為13.9%，提高了輕量化水平。
（2）根據(jù)C-NCAP 2021 對(duì)一體化前艙車(chē)身進(jìn)行了正面碰撞仿真分析，針對(duì)未達(dá)到安全性要求的響應(yīng)，對(duì)前縱梁和鑄件縱梁區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使一體化車(chē)身MPDB 碰撞前圍最大侵入量減小31.56%，F(xiàn)RB 碰撞第1 峰值加速度提升18.49%，減小了前圍入侵，改善了碰撞脈沖，在質(zhì)量增加較?。?.06%）的情況下顯著提高了一體化壓鑄車(chē)身的耐撞性。
（3）根據(jù)扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況仿真分析，驗(yàn)證了白車(chē)身剛度和1階模態(tài)；彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、1階彎曲模態(tài)、1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且彎曲剛度相較于鈑金方案提高了9.7%，扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)與鈑金方案基本持平。
（4）一體壓鑄結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)鈑金，設(shè)計(jì)空間更大，須滿(mǎn)足多種載荷工況要求，同時(shí)滿(mǎn)足可鑄造性約束，如筋的拔模方向等，與傳統(tǒng)車(chē)身設(shè)計(jì)方法不同的是，制造工藝性分析需要在設(shè)計(jì)的早期階段同步進(jìn)行，而非最終優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。
本文設(shè)計(jì)的一體化壓鑄前艙結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化，對(duì)一體化壓鑄車(chē)身平臺(tái)化設(shè)計(jì)與實(shí)車(chē)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，但通過(guò)模擬得到的整車(chē)耐撞性和剛度等性能仍具有一定的提升空間，且缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。將在未來(lái)研究中關(guān)注碰撞、動(dòng)載等工況進(jìn)行非線性拓?fù)鋬?yōu)化，并通過(guò)線性化加權(quán)得到多學(xué)科下的最優(yōu)載荷路徑，通過(guò)進(jìn)一步尺寸優(yōu)化提高耐撞性，實(shí)現(xiàn)輕量化與性能的平衡。
