10.16638/jki.1671-7988.2020.06.007
优化设计
贺鑫，汪跃中，董华东
（奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽芜湖241000）
摘要：在某款纯电动汽车的设计开发过程中，为满足NVH及整车安全要求，提高乘车舒适性及满意度，利用CAE 软件建立含后副车架安装点的白车身有限元模型，并进行刚度分析，根据CAE分析结果提出优化方案，再对优化方案进行刚度分析，最终出有效提高后副车架安装点刚度的最佳方案，满足性能要求，节约产品开发成本、缩短产品开发周期，同时为后副车架结构改进和优化设计提供重要依据。
关键词：后副车架；刚度分析；优化设计；CAE
中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)06-19-05
Stiffness Analysis and Optimum Design of Rear Subframe Installation Point of
a Pure Electric Vehicle
He Xin, Wang Yuezhong, Dong Huadong
（Chery New Energy Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241000）
Abstract: In the design and development process of a blade electric vehicle, in order to meet the safety requirements of NVH and the whole vehicle and improve the comfort and satisfaction of the vehicle, the finite element model of the white body with the installation point of the rear sub-frame is established by CAE software, and the stiffness analysis is carried out. Based on the analysis results of CAE, the optimization scheme is put forward, and then the stiffness score of the optimization scheme is made. Finally, find out the best scheme to effectively improve the stiffness of the installation point of the rear sub-frame, meet the performance requirements, save the cost of product development, shorten the product development cycle, and provide an important basis for the improvement and optimization design of the rear sub-frame structure. Keywords: Rear subframe; Stiffness analysis; Optimum design; CAE
CLC NO.: U463.32 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)06-19-05
前言
后副车架作为汽车底盘结构的关键零部件，可以支撑前后车桥、悬挂[1]，可以显著提升驾驶操作性、乘坐安全性及舒适性等整车性能要求[2]。而后副车架安装点刚度作为评价整车操稳性能的重要指标，为满足NVH及整车安全要求，提高乘车舒适性及满意度，需要对后副车架安装点进行刚度分析。
本文首先利用Hypermesh前处理软件建立某款纯电动汽车含后副车架的白车身有限元模型，转换格式后导入Nastran 软件进行刚度分析，最后再根据HyperView软件考察在产品设计初期是否满足设计需求，针对CAE分析结果提出五种优化方案，最终出能有效提高后副车架安装点刚度的最佳方
作者简介：贺鑫，男，就职于奇瑞新能源汽车股份有限公司，目前
从事CAE分析工作。
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汽车实用技术
20 案，满足性能要求，节约产品开发成本、缩短产品开发周期，同时为后副车架结构改进和优化设计提供重要依据。
1 理论分析
1.1 CAE 分析简介
CAE （计算机辅助工程）是计算机技术和工程分析技术相结合的技术，主要用计算机对产品进行性能与安全可靠性分析，通过模拟工作状态发现设计过程中存在的缺陷，并针对性优化以保证满足性能和安全可靠性要求[3]。 1.2 刚度分析理论基础
刚度是指构件抵抗变形的能力[4]。后副车架安装点刚度作为评价整车操稳性能的重要指标，可以利用公式计算得出，再通过与目标值进行比较后，判定其是否满足性能要求。其中，静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度[5]
。静刚度的计算公式为：
（1） 式中，F 、δ为作用于结构的广义力和广义力产生的广义位移[6]
。
2 后副车架安装点模型建立
2.1 建立CAE 模型
根据设计部门提供的后副车架安装支架CAD 数模信息
[7]
，对其进行几何清理及简化后导入Hypermesh 中[8]，采用
CTRIA3、CQUAD4单元、网格基本尺寸为10mm 进行网格划分，如图1所示。再将其导入白车身有限元模型中，如图2所示。
图1 后副车架安装支架网格模型汽车设计网
图2 白车身有限元模型
其中，后副车架安装支架的材料特性参数如表1所示。
表1 后副车架安装支架材料特性参数
2.2 分析工况
根据本公司后副车架安装点刚度CAE 分析规范，约束白车身的前后减震器座X 、Y 、Z 方向的平动自由度，同时在后副车架前、后安装点分别施加X 、Y 、Z 方向的5000N 力。
图3 后副车架安装点刚度分析工况
3 仿真计算与结构优化
3.1 Nastran 简介
MSC.Nastran 由美国MSC 公司开发，因其输入、输出数据文件相当格式化、可以处理各种边界条件、能有效求解大模型、在汽车结构分析中应用广泛等优点，在CAE 分析软件中占有重要地位[9]。 3.2 仿真计算与结果分析
将图3所示的网格模型转化为bdf 文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析的仿真计算，最后将带有初始网格模型的bdf 文件及计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，获得后副车架前、后安装点的位移、应力如图4、图5所示：
图4 原始方案前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图5 原始方案后安装点X 、Y 、Z 方向位移
由图4、图5及该后副车架安装点刚度目标值，绘制出
后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表2所示。
表2 后副车架前、后安装点刚度统计结果表
根据表2可知，后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装点X 方向刚度大
于目标值，满足要求；但Y 、Z 方向刚度均小于目标值，不
贺鑫 等：某纯电动汽车后副车架安装点刚度分析与优化设计
21
满足要求。 3.3 结构优化
在和设计人员交流讨论后，针对后副车架后安装点Y 、Z 方向刚度不符合要求，提出五种结构优化方案。
方案1 增加后横梁斜支撑
在图6（a ）所示的原始方案白车身有限元模型后横梁上增加斜支撑，如图6（b ）所示。
（a ）原始方案 （b ）方案1
图6 方案1与原始方案对比图
将图6（b ）所示的方案1白车身网格模型转化为bdf 文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，得到分析结果如图7、图8所示：
图7 方案1前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图8 方案1后安装点X 、Y 、Z 方向位移
由图7、图8及该后副车架安装点刚度目标值，绘制出后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表3所示。
表3 方案1后副车架前、后安装点刚度结果表
根据表3可知，方案1后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装点X 、Z 方向刚度大于目标值，满足要求；但Y 方向刚度小于目标值，不满足要求。
方案2 基于方案1增加第一前横梁斜支撑
基于图9（a ）所示的方案1白车身有限元模型上增加第一前横梁斜支撑，如图9（b ）所示。
（a ）方案1 （b ）方案2
图9 方案2与方案1对比图
将图9（b ）所示的方案2白车身网格模型转化为bdf 文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，得到分析结果如图10、图11所示：
图10 方案2前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图11 方案2后安装点X 、Y 、Z 方向位移
由图10、图11及该后副车架安装点刚度目标值，绘制
出方案2后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表4所示。
表4 方案2后副车架前、后安装点刚度结果表
根据表4可知，方案2后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装点X 、Z 方向刚度大于目标值，满足要求；但Y 方向刚度小于目标值，不满足要求。
方案3 基于方案2增加第一前横梁斜厚度
将图12所示的白车身有限元模型第一前横梁厚度由2mm 增加至2.5mm 。
图12 方案3示意图
将图12所示的方案3白车身网格模型转化为bdf 文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，得到分析结果如图
汽车实用技术
22 13、图14所示：
图13 方案3前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图14 方案3后安装点X 、Y 、Z 方向位移
由图13、图14及该后副车架安装点刚度目标值，绘制出方案3后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表5所示。
表5 方案3后副车架前、后安装点刚度结果表
根据表5可知，方案3后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装点X 、Z 方向刚度大于目标值，满足要求；但Y 方向刚度小于目标值，不满足要求。
方案4 基于方案3增加第二前横梁及斜支撑
基于图15（a ）所示的方案3白车身有限元模型上增加第二前横梁及斜支撑，如图15（b ）所示。
（a ）方案3 （b ）方案4
图15 方案4与方案3对比图
图16 方案4前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图17 方案4后安装点X 、Y 、Z 方向位移
将图15（b ）所示的方案4白车身网格模型转化为bdf
文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，得到分析结果如图16、图17所示。
由图16、图17及该后副车架安装点刚度目标值，绘制
出方案4后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表6所示。
表6 方案4后副车架前、后安装点刚度结果表
根据表6可知，方案4后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装点X 、Z 方向刚度大于目标值，满足要求；但Y 方向刚度小于目标值，不满足要求。
方案5 基于方案3抬高第一前横梁高度
通过对比方案3、4可知，增加第二前横梁对于后副车架
安装点刚度分析结果影响不大且会增加一定成本，因此不考虑方案4。在图18（a ）方案3基础上，沿Z 轴负方向抬高箭头所示第一前横梁高度20mm ，如图18所示。
图18 方案5示意图
将图18所示的方案5白车身网格模型转化为bdf 文件，然后导入Nastran 中进行刚度分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView 中进行后处理工作，得到分析结果如图
19、图20所示：
图19 方案3前安装点X 、Y 、Z 方向位移
图20 方案3后安装点X 、Y 、Z 方向位移
由图19、图20及该后副车架安装点刚度目标值，绘制出方案5后副车架前、后安装点刚度统计结果表，如下表7所示。
贺鑫 等：某纯电动汽车后副车架安装点刚度分析与优化设计
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表7 方案5后副车架前、后安装点刚度结果表
根据表7可知，方案5后副车架前安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求；后副车架后安装
点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求。 3.4 方案分析结果统计
综合上述分析，将原始方案、优化方案1-5的分析结果汇总，如表8所示：
表8 方案分析结果统计表
根据表8可知，原始方案后副车架后安装点Y 、Z 方向刚度均小于目标值，不满足要求；五种优化方案后副车架后安装点Y 、Z 方向刚度均相对原始方案有所提升，其中优化方案1-4后副车架后安装点Y 方向刚度小于目标值，不满足要求；优化方案5后副车架前、后安装点X 、Y 、Z 方向刚度均大于目标值，满足要求。因此在和设计人员讨论后，考虑采用优化方案5。
4 结论
（1）利用CAE 分析软件建立含后副车架安装点的白车身有限元模型，进行刚度分析后发现不满足要求，需要进行结构优化。
（2）根据原方案的分析结果，提出五种优化方案，均相对原方案刚度值有所提升，且优化方案5最佳，满足性能要求。
（3）通过CAE 技术对含后副车架安装点的白车身有限元模型不断优化，最终确定最佳方案，为后副车架安装点的
改进和优化设计提供重要依据。
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