关键词：减重 副车架 CAE 疲劳
节能减排已成为全球汽车工业面临的重要问题，为减少二氧化碳的排放，汽车制造商一直在研究提高燃油效率的技术，如降低整车重量、减少发动机摩擦损失等，轻质高强汽车结构的设计已成为迫切需求。然而，实现高强度和轻量化的平衡非常困难。为提升燃油销量，汽车公司多数关注发动机技术的改进。燃油效率的提升可从三个方面考虑：发动机和驱动系统效率的提高、能量损失的减少和汽车重量的减轻。这其中，轻型汽车的设计更为有效。
汽车轻量化设计主要有两个路径：一是改善改善钢制结构件中不必要的结构；二是使用铝合金等轻质材料。前者的重点是通过使用低成本和可回收的钢材来实现减轻重量，而后者主要用于高端车型，因为铝合金等材料价格较为昂贵。目前，铝合金的使用大幅增加，如汽缸体，汽缸盖，活塞，链节，铝轮，散热器、保险杠、车身覆盖件等。同时，全铝车身也已被研究和开发。
本研究以AA6061铝合金制成的后副车架为研究对象，通过CAE对其结构进行分析和轻量化设计。同时分析模型，对其疲劳特性进行模拟预测。
后副车架一般放置在轿车的后部下方，作为后轮和车身之间的连接。后轮通过连杆或臂连接到该部件，以确保悬挂的舒适。后副车架由前后横梁和两个侧梁以及6个支架组成，如图1。图2示出了副车架组装在整车上的模型及其连接点类型。表1为SAPH440钢材和6061铝合金的机械性能。
测试的加载模型如图3所示，其中，x、y、z方向分别为长度、宽度和高度方向。加载条件如表2所示。
本研究采用厚度为2.3mm的SAPH440钢板和厚度为5.0mm的AA6061铝板，其疲劳极限分别为208.8MPa（1,000,000次循环）和96.5MPa（5×108次循环）。建立载荷分布模型，图4a-f给出了在PHB，PHC，RB，UV，OCS和LCS负载条件下由AA6061铝合金和SAPH440钢制成的副车架的强度分析结果。结果显示，最大应力承载区域随着载荷施加条件的不同而变化。由于铝合金轻质材料的替代，最大应力区域发生了减小。
表3a-e显示了AA6061铝合金和SAPH440钢在PHB，PHC，RB，UV，OCS和LCS负载条件时考虑重量因子的副车架的最大应力和重量因子的结果对比。AA6061副车架的的重量系数低于SAPH440的重量系数，因此，铝合金替代设计的轻质副车架具有安全保障。从这些结果也可以看出，疲劳动态特性可以在部件的初始开发阶段通过使用简单的静态分析来验证和预测，而无需基于权重因子进行疲劳模拟。
图5是基于CAE分析和重量优化设计后制成的铝合金副车架。相比于SAPH440钢制副车架的19.5kg，6061铝合金副车架重量为14.7kg，实现减重25%。同时，通过静态仿真和重量权重因子分析，是满足疲劳安全性要求的一个有效方式。
本文将SAPH440钢制副车架优化为AA6061铝合金副车架，通过模拟von Mises等效应力和疲劳极限，将应力转化为与疲劳安全系数相同类型的权重函数，结果可以看出，通过过静态CAE模拟可以简单地预测疲劳特性。此外，制成的6061铝合金和钢（SAPH440）制副车架的重量分别为14.7和19.5kg，通过材料替代实现了25%的减重。且6061铝合金副车架展示了比钢制副车架更为优异的性能。
作者：Kee Joo Kim and Jun-Hyub Park
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