分享：基于高强度汽车大梁钢的结构减重优化(大梁汽车分析强度应力)

1.2 力学性能材料卡

应用有限元分析软件制作2种材料的力学性能材料卡片，编辑BG700L和BG960L高强钢材料的密度、杨氏模量、泊松比等材料参数，并将真实应力应变曲线导入有限元分析软件中，所制成的BG700L和BG960L高强度汽车大梁用钢的材料卡片数据如图2。

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2. 汽车大梁有限元模拟分析2.1 有限元模型的前处理

建立某商用车型大梁的三维几何模型，为保证仿真模拟分析的准确程度，将模型的设计尺寸与真实零件的设计尺寸比例设置为1:1，几何模型如图3所示。
使用Hypermesh前处理软件对模型进行几何清理与网格划分，网格标准尺寸取8 mm×8 mm，网格单元类型为壳单元，网格数量为103955个。
大梁的上下板厚都为10 mm，加强板厚度为5 mm，整体质量为440 kg。
在强度仿真模拟分析中材料分别选用BG700L和BG960L。
在汽车大梁的强度分析过程中，设定汽车载重量为20 t，将20 t的载重量耦合到大梁上板，模拟汽车大梁的承重状态。
为了能够满足车辆行驶过程中的最大承载能力的设计要求，在此条件下，对整个汽车大梁施加2.5g（g为重力加速度）的加速度载荷，来模拟行驶过程中的最恶劣的极限工况。
通过约束A点来模拟前悬架的板簧支撑作用，约束B、C、D、E四点来模拟后悬架的板簧支撑作用，其中对A点约束123（XYZ向位移）方向自由度，而对B、C、D、E四点约束3（Z向位移）方向自由度[10−11]，约束方式如图4所示（RBE3代表柔性连接）。

2.2 汽车大梁强度分析

将Hypermesh软件中输出的设置文件导入有限元分析软件中进行求解，求解后的输出文件再导入Hyperview软件中进行后处理并输出仿真结果，本文应用Von Mises应力作为计算应力和判断标准。

不同的约束方式和载荷加载方法会对仿真结果产生影响，所以本研究在相同的约束和加载条件下，分别对BG700L和BG960L 2种材料制成的汽车大梁进行了分析对比。
图5为分别为相同加载和约束条件下，采用BG700L和BG960L 2种材料制成汽车大梁的应力云图。
从图5中可以看出，因为汽车大梁在受载时还处于弹性变形阶段，所以采用2种材料的模型的应力一致。
在相同的加载和约束条件下，BG960L材料的制成的汽车大梁的应力与BG700L材料的最大应力都为699.8 MPa，应力均小于屈服强度，均在安全使用范围之内。

为了提高材料的利用率，达到减重和节约成本的目的，对此模型进行了减重处理，将大梁模型的上下板厚都减薄至8 mm，加强板厚度减薄至4.5 mm，减重后质量为355 kg，减重率约为20%。
使用相同的分析方法，对减重后的汽车大梁进行强度分析，材料选择BG960L。
图6为减重后汽车大梁的强度分析的应力云图。
从图6中可以看出，减薄后的大梁最大应力位置处于模型的最下侧，与减重前基本一致。
最大应力为874.3 MPa，比较减重前有所增加，应力还未达到材料屈服强度1070 MPa，能够满足汽车大梁的强度工况的使用要求，并且存在进一步的减薄潜力。

2.3 汽车大梁刚度分析

为了进一步验证减重的可行性，进行了大梁减重前后的刚度分析。
刚度的分析方法如图7所示，分析方法与强度分析类似，对A点约束123方向自由度，而对B、C、D、E四点约束3方向自由度。
因为零件的刚度只与材料的杨氏模量、泊松比以及零件的结构有关系，而BG700L和BG960L的杨氏模量和泊松比一致，所以本研究只对比了BG700L原设计方案和BG960L减重方案的刚度。
图8为减重后的力与位移曲线，减重前加载点的Z向位移为0.77 mm，减重后加载点的Z向位移为0.9 mm。
在线性计算过程中，刚度值为力和位移的比值，因此减重前大梁的刚度为266 kN/mm，减重后刚度为203 kN/mm。
此车型商用车设计要求为加载点的Z向位移不能大于3 mm，而减重后的位移量并没有明显的增加，并且在安全使用范围内。