基于材料輕量化的商用汽車駕駛室CAE分析與建模

孫 然

（六安職業技術學院，安徽六安 237000）

汽車技術的飛速發展體現了我國制造業的快速更迭，也是我國重工業制造轉變的見證者[1]。在構建汽車的材料研究領域，輕量化技術是該領域發展過程中的重要組成部分。面對國家計劃的節能減排和安全法規等因素，商用汽車駕駛室的輕量化設計成為了主流研究方向[2]?；诓牧陷p量化的商用汽車駕駛室設計，優先滿足的應該是駕駛安全性。在滿足基礎安全性上，再通過更優化的汽車駕駛室結構，通過全新的材料、技術等手段實現進一步輕量化。輕量化材料在商用汽車駕駛室的應用主要包括高強度材料減輕鋼板質量以及低密度材料代替鋼板材料[3]。如今，汽車行業的重要發展方向之一為商用汽車的車身輕量化。一般來說，絕大多數的商用汽車的駕駛室重量約占整車重量的40%-60%左右。因此，對商用汽車駕駛室的輕量化設計，是降低整車質量、降低造成成本、提升用車安全性的重要途徑之一。實際上，作為非承載部件的商用汽車駕駛室，通過更輕量化的材料、結構設計，不僅能夠降低整車質量進一步節約成本，還能夠保證汽車生產過程中對環境的保護[4]。針對商用汽車駕駛室的輕量化，主要研究方向包括輕量化材料的應用、更優化的結構設計以及駕駛室建模制造工藝的改進等方面。

隨著對輕量化復合材料的不斷研究，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)具有顯著的輕量化表現，而且具有良好的設計性能以及完備的建模鑄造工藝，因此在商用汽車駕駛室的設計和應用上具有廣闊的前景[5]。針對CFRP輕量化復合材料的研究，有研究者構建了多尺度本構模型驗證其框架性能，并構建了電動車骨架，在顯著降低車身重量的同時能夠很好地保證汽車整體的剛度以及性能[6]。此外，另有一些研究者結合沖擊和優化等過程，通過CFRP輕量化材料代替傳統玻璃纖維保險杠[7]，在保證整車質量降低30%的情況下，還能夠改善整車受沖擊的性能，進一步驗證了CFRP輕量化材料在汽車工業中的可行性。

本文以商用汽車駕駛室為研究對象，通過有限元建模方式研究駕駛室力學性能，并根據仿真結果選擇CFRP復合材料完成對駕駛室材料模型的替代。針對CFRP輕量化材料設計的商用駕駛室，通過CAE模型進行模擬分析，對比傳統材料構建的商用駕駛室，驗證CFRP輕量化復合材料的靜態剛度和動態性能是否滿足汽車駕駛室設計要求，進而完成輕量化商用汽車駕駛室設計目的。

一 CFRP輕量化復合材料的性能分析

采用碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)作為商用汽車駕駛室的建模材料。該材料的基礎為碳纖維束，通過碳纖維束的正交編制方式獲取較高的強度，并且具有很好的抗疲勞以及減震吸能的特性。由于CFRP復合材料具有較輕的重量，因此在制作商用汽車駕駛室具有良好的應用。

首先，對該材料進行性能測試分析，用以提高模型計算的準確率[8]。為了提升CFRP輕量化復合材料在商用汽車駕駛室CAE建模中的準確性，首先對該材料進行拉伸和彎曲試驗，以準確地獲取材料力學性能。在拉伸和彎曲試驗中，從兩組試驗樣品中選擇5組樣本進行性能建模并計算力學性能。表1給出了CFRP輕量化復合材料的力學性能參數。

表1 CFRP輕量化復合材料的力學性能參數

在表1 獲取的數據基礎上，通過ABAQUS建模軟件，對CFRP輕量化復合材料進行有限元模型建模。針對建立好的有限元模型，首先提取出有限元模型去除剛體后的前六個階次的固有頻率和模態。隨后采用對CFRP輕量化材料復合板進行錘擊試驗方法，完成對該復合材料的模態分析試驗[9]。通過錘擊方式對CFRP輕量化材料復合板進行模態分析，表2為試驗模態和計算模態的對比結果。從表2中的結果可以看出，考慮到CFRP輕量化復合材料具有較輕的質量，以其構建的加速度傳感器的移動距離、固有頻率和模態等試驗結果均在可接受的范圍內。因此，CFRP輕量化復合材料具有良好的性能用于設計商用汽車駕駛室，通過CAE建模分析通過該復合材料建立的商用汽車駕駛室模型。

表2 CFRP輕量化復合材料試驗模態和計算模態的對比結果

三 商用汽車駕駛室CAE建模

（一）商用汽車駕駛室CAE模型

本文的研究目標為商用汽車駕駛室，采用最常使用的CAE分析軟件HyperMesh對商用汽車駕駛室進行建模[10]。經過CAE前期預處理后，優化模型中的大部分尺寸較小的部件。一般情況下，商用汽車駕駛室的重要部件主要包括薄壁沖壓部件、四邊形殼單元等，通過HyperMesh軟件進行模擬建模，一共構建512933個部件單元，其中含有的三角形部件為14948個。為了保證商用汽車駕駛室的CAE模型在模擬中穩定可靠，各個部件之間通過ACM焊完成連接，經過上述過程形成如圖1所示的商用汽車駕駛室CAE模型。

圖1 商用汽車駕駛室CAE模型

（二）CAE模型剛度與模態分析

為了對商用汽車駕駛室的CAE模型進行剛度分析，首先需要約束汽車駕駛室的后懸彈簧支架在所有方向上的自由度，以及約束汽車駕駛室的前懸彈簧支架在Z方向上的自由度[11]。在上述約束之上，分別計算商用汽車駕駛室CAE模型在彎曲和扭轉等狀態下的工況。其中，彎曲工況的設置為前懸彈簧支架Z方向上施加大小為1500 N的載荷，在此工況下模擬駕駛室中的人和作為的質量，并通過HyperMesh計算應力云圖。此外，扭轉工況則是在前懸彈簧支架上施加方向相反、大小為3750N的鉛錘力，在此工況下通過HyperMesh計算應力云圖。圖2給出了在兩種工況下的HyperMesh仿真應力云圖。

圖2 彎曲和扭轉兩種工況下的HyperMesh仿真應力云圖

從圖2中給出的HyperMesh仿真應力數據可以看出，在彎曲工況下，汽車駕駛室的變形主要集中在前部包圍，以及駕駛室地板的縱梁前端部分。其中，座椅下部的地板變形量為0.618mm，汽車駕駛室的彎曲剛度為47915.2N/mm。然而，在扭曲工況下，汽車駕駛室的變形主要集中在左右的前柱。由于左右前柱的變形導致駕駛室地板的縱梁懸架Z方向出現2.0495mm的位移，以及扭轉角度0.215°。根據扭轉的位移和角度可以通過HyerMesh計算出汽車駕駛室的扭轉剛度為17151.2N/mm。

此外，還需要對汽車駕駛室的CAE模型進行模態分析。在模態分析中，通過NasTran求解器計算汽車駕駛室前6階次的頻率和振型[12]。表3為六個階次的頻率和振型情況。從表3中的結果可以看出，前三個振型包括整體的一階扭轉、側面和后面的局部模態，需要重點關注，尤其是第1階次存在的固有頻率整體。

表3 六個階次的頻率和振型情況

四 商用汽車駕駛室CAE模型的材料輕量化

（一）CFRP輕量化材料設計

在本文的CFRP輕量化材料設計中，最主要的目標是減輕商用汽車駕駛室的重量，并提升駕駛室的一階扭轉頻率。從上述的商用汽車駕駛室的CAE模型剛度與模態分析基礎上選擇能夠從CEA模型上優化的零部件，通過參數調整來優化汽車駕駛室中的復雜載荷，獲得輕量化設計的承載個功能部件。其中，鑒于汽車駕駛室的CAE模型中的頂蓋、側圍以及后圍等部分的整體質量較大，形狀較為規則且使用CFRP輕量化材料的面積也最多，因此將該部位作為輕量化的研究獨享。實際上，由于CFRP輕量化材料存在一定的脆弱性，而整片規則材料中大量開孔則會破壞CFRP輕量化材料中的碳纖維結構，從而導致駕駛室在受力過程中存在局部集中受力點的問題。綜上，本文在商用汽車駕駛室的材料輕量化設計中，主要在駕駛室金屬部件與CFRP輕量化材料之間進行膠結方式完成連接。

（二）駕駛室靜止剛度分析

經過CFRP的輕量化材料設計，需要對駕駛室進行靜止的剛度分析[13]。在輕量化過程中，駕駛室在CFRP材料作用下由335.86kg下降到297.48kg，輕量化過程達到了38.38kg，下降比例為11.4%。此外，在彎曲工況下，輕量化后的駕駛室Z方向和駕駛室地板上的位移量分別達到了0.013mm和0.011mm。與此同時在扭轉工況下，彎曲剛度和扭轉剛度則分別達到了4892.5N/mm和17215.4N/mm。表4為輕量化駕駛室與原始鋼結構駕駛室的各項靜態剛度參數對比結果。

表4 輕量化駕駛室與原始鋼結構駕駛室的各項靜態剛度參數對比結果

（三）駕駛室動態性能分析

除了對CFRP輕量化材料設計的駕駛室進行靜態剛度分析之外，還需要對駕駛室進行動態性能分析[14]。動態性能主要包括在不同頻率下的駕駛室呈現的振型情況。表5為輕量化駕駛室與原始鋼結構駕駛室的各項動態性能參數對比結果。從表5中的結果可以看出，經過CFRP輕量化材料設計之后，商用汽車駕駛室的第一階次扭轉頻率達到了27.39 Hz，比原始鋼結構駕駛室的第一階次扭轉頻率高出了5.93 Hz，提升的比例達到了27.63%。此外，其他各個階次的頻率都獲得了不同程度的提升。因此，可以從實驗結果中看出CFRP輕量化材料，對于商用汽車駕駛室的設計能夠達到扭轉第一階次頻率的目的。

表5 輕量化駕駛室與原始鋼結構駕駛室的各項動態性能參數對比結果

商用汽車在路面行駛過程中，與駕駛室關聯較大的外部刺激主要包括路面、車輪以及發動機的記錄里。實際上，在普通路況中，這些與駕駛室關聯較大的外部激勵都集中在20Hz以下。一般來說，商用汽車在發動機工作狀態路面正常行駛過程中，產生的激勵與發動機的參數顯著相關，可通過下式計算由發動機激勵獲得的頻率[15]：

其中，表示商用汽車的發動機氣缸個數，表示路面平穩行駛過程中的發動機轉速。本次仿真模型設計采用的是六缸四沖程水冷柴油機，該柴油發動機的額定轉速和怠速轉速分別為2200r/min和600r/min。根據上述公式，可以分別計算出本文設計的商用汽車正常路面行駛以及怠速狀態下的激勵頻率，分別為110Hz和30Hz。

根據表5中的數據可以看出，經過CFRP輕量化材料設計后的駕駛室模型，在第一階次上的扭轉頻率為27.39 Hz，但是柴油發動機怠速運轉產生的激勵頻率則處于30Hz附近，因此柴油發動機的怠速激勵頻率處于第一階次和第二階次的兩個固有頻率之間。實際上，前兩個階次的頻率都與發動機怠速的激勵頻率差距不大，容易在商用汽車駕駛室中產生共振的現象。對于接近柴油發動機怠速頻率的模態情況，則需要在后續更多的研究中，通過CFRP輕量化材料設計、改造駕駛室骨架，以及局部零部件的設計來解決。不同于傳統鋼結構的駕駛室設計，CFRP輕量化材料設計的駕駛室則在更高的階次模態上避開了外界的激勵頻率，因而CFRP輕量化材料在商用汽車駕駛室的輕量化設計中具有良好的應用前景。

五 結論

在本文中，通過CEA建模以及有限元分析，對CFRP輕量化材料構建的商用汽車駕駛室完成了靜態剛度和動態性能分析。首先構建了CFRP輕量化復合材料的本構模型，并通過該模型對商用汽車駕駛室進行靜態剛度和動態性能分析。在滿足商用汽車駕駛室剛度要求前提下，采用CFRP輕量化復合材料代替傳統鋼結構材料，構建了輕量化商用汽車駕駛室CEA模型，并通過NasTran有限元建模軟件進行仿真實驗。實驗結果表明，CFRP輕量化復合材料構建的商用汽車駕駛室的靜態剛度基本保持不變。在模態分析中，輕量化材料的一節扭轉頻率提升了27.63%，駕駛室整體質量下降了38.38kg，降幅達到了11.4%，具有較強的輕量化效果，且靜態剛度和模態分析結果驗證了CFRP輕量化復合材料的可行性。由此可見，CFRP輕量化復合材料具有良好的剛度、模態特性，在商用汽車駕駛室的設計和構建中具有廣闊的應用前景。