鄧祖平，谷玉川，陳晶艷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

基于有限元分析的輕卡車架優(yōu)化設(shè)計(jì)及其臺(tái)架試驗(yàn)

鄧祖平，谷玉川，陳晶艷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

結(jié)合某輕型卡車車架的開發(fā)工作，對(duì)車架進(jìn)行有限元分析。首先應(yīng)用H yperW orks軟件，選擇合理的單元類型進(jìn)行車架網(wǎng)格劃分、螺栓連接和焊接結(jié)構(gòu)的模擬，建立帶有駕駛室、車廂、各支架以及前后鋼板彈簧懸架的較為完整的整車有限元模型，研究不同工況下的約束和載荷添加方式，并使用NX.Nastran求解出車架在不同工況下的應(yīng)力分布。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)車架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的車架比原設(shè)計(jì)重量減少了4.93%，且解決了強(qiáng)度不足的問(wèn)題。最后，對(duì)車架樣件進(jìn)行彎曲工況下的應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果有較好的一致性。

車架；有限元；靜力分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；輕量化設(shè)計(jì)；臺(tái)架試驗(yàn)

車架是整個(gè)汽車的基體，貨車絕大多數(shù)部件和總成都是通過(guò)車架來(lái)安裝固定的[1]，它承受著來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷作用，所以應(yīng)保證車架有足夠的強(qiáng)度，使其可靠性更高、壽命更長(zhǎng)，車架主要部件在工作時(shí)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂口[2-3]。車架工作時(shí)受力狀態(tài)比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法求解需要做很多簡(jiǎn)化，結(jié)果失真較大[4]。有限元方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠求解各種類型的結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷和邊界條件下的受力問(wèn)題，并且具有相當(dāng)高的計(jì)算精度[5-7]。利用有限元方法可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)車架的剛度、強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)特性和疲勞壽命進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)，為車架改進(jìn)設(shè)計(jì)指明方向；對(duì)提高車架整體性能，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本具有十分重要的意義[8-11]。

1 有限元模型的建立

根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)形式，選定板殼單元為主要網(wǎng)格形式；駕駛室、貨物以及具有質(zhì)量的主要附件（包括動(dòng)力總成、油箱、電瓶、儲(chǔ)氣筒、催化轉(zhuǎn)換裝置、備胎、散熱器等）采用集中質(zhì)量單元CONM2+RBE3模擬；為了更準(zhǔn)確地反映車輛受力狀況，模擬汽車懸架結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮吊耳及襯套的影響，建立了懸架、車橋和輪胎的模型，如圖1所示；建立螺栓連接模型時(shí)，在螺栓孔處加一層Washer，用以模擬六角螺栓頭，見(jiàn)圖2；焊接結(jié)構(gòu)有剛性單元、塞焊、縫焊、點(diǎn)焊等模型，見(jiàn)圖3；貨箱縱梁通過(guò)枕木和車架縱梁連接，它們之間的連接用GAP來(lái)模擬，如圖4所示。

輕型卡車車架的材料是B510L，其材料特性參數(shù)如表1所示。在HyperMesh中完成車架各零件材料屬性及厚度的定義，整車有限元分析模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為701 201個(gè)，單元總數(shù)為723 910個(gè)。

表1 材料特性參數(shù)

2 載荷與工況及結(jié)果分析

汽車行駛時(shí)，車架在不同工況下所受到的載荷不相同。本文將汽車行駛工況分為彎曲、極限轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)、加速以及動(dòng)載荷。各工況的分析及計(jì)算結(jié)果最大值如表2所示。

表2 各工況分析及計(jì)算結(jié)果最大值

式中：m為整車滿載質(zhì)量（6 t）；a為制動(dòng)減速度（1 g）；f為后輪制動(dòng)力分配系數(shù)（0.42）。

由分析結(jié)果可知，車架的第五、六橫梁連接板強(qiáng)度不滿足要求，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

車架上有些結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力均很小，相對(duì)許用應(yīng)力有很大的富余，造成了材料的浪費(fèi)，增加了汽車自重和油耗以及生產(chǎn)成本，有很大的輕量化空間。結(jié)合有限元優(yōu)化分析結(jié)果，本文對(duì)以下部件做了相應(yīng)的修改。

1）由于第一橫梁側(cè)面和縱梁前加強(qiáng)板上的應(yīng)力值比較低，所以對(duì)其結(jié)構(gòu)做了一些修改，厚度保持不變，質(zhì)量比原來(lái)輕，如圖5所示。

2）在第一橫梁連接板上翼面增加一個(gè)螺栓連接，側(cè)面由原來(lái)的大孔變成三個(gè)螺栓連接，厚度不變，這樣既解決了其應(yīng)力分布不均勻的問(wèn)題，又減輕了質(zhì)量，如圖6所示。

3）各工況下縱梁后加強(qiáng)板上的應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)不變，將其厚度減小1mm。

4）由于第七橫梁基本上不受載荷作用，將其厚度減小1.5mm，并使其側(cè)面上的開孔面積增加，如圖7所示。

5）第五橫梁連接板在極限轉(zhuǎn)彎工況下比許用應(yīng)力大10.1MPa，保持其結(jié)構(gòu)不變，厚度由原來(lái)3.5mm增加到4mm，其最大應(yīng)力降為262MPa，滿足強(qiáng)度要求。

6）第六橫梁連接板在動(dòng)載荷工況下，超出許用應(yīng)力較多，改變其結(jié)構(gòu)，并將其厚度由5mm增加到6mm，其最大應(yīng)力降為221MPa，滿足強(qiáng)度要求，如圖8所示。

新設(shè)計(jì)車架的質(zhì)量比原設(shè)計(jì)輕了9.172 kg，減重比為4.93%，且第五橫梁連接板極限轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力由294.1MPa降為262MPa，彎曲工況下第六橫梁連接板最大應(yīng)力由182.4MPa降為142MPa，動(dòng)載荷工況下第六橫梁連接板最大應(yīng)力由451.4 MPa降為221 MPa，均滿足強(qiáng)度要求?？梢?jiàn)，優(yōu)化后的車架達(dá)到了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以降低應(yīng)力的目的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。

4 車架臺(tái)架試驗(yàn)

由于有限元建模時(shí)對(duì)一些結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)化，車架材料屬性和制造工藝都當(dāng)作理想狀態(tài)，導(dǎo)致有限元仿真分析與實(shí)際情況還是存在一定的差距。為了了解有限元分析的可靠程度，還需要對(duì)車架進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)車架的安裝及加載

試驗(yàn)車架總成用工字型假簧代替前、后鋼板彈簧，見(jiàn)圖9。它們分別與車架的吊耳、襯套、板簧銷連接。使用夾具將車架固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，其中兩個(gè)前工字型假簧中點(diǎn)用活動(dòng)滾輪支撐；兩個(gè)后工字型假簧中點(diǎn)處通過(guò)鉸鏈鉸接，并將車廂安裝在車架上。在車架左側(cè)縱梁下翼面每隔大概500mm分布11片應(yīng)變片，在右側(cè)縱梁下翼面粘貼2片應(yīng)變片，并分別與左側(cè)的第4、7點(diǎn)對(duì)稱。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，車架在試驗(yàn)中所承受的最大外部載荷為4 293 kg，加載器對(duì)車廂施加載荷。通過(guò)車廂傳遞到車架，加載器對(duì)車廂施加的載荷依次為500 kg、1 000 kg、1 500 kg、2 000 kg、2 500 kg、3 000 kg、3 500 kg、4 000 kg、4 293 kg，待每次加載穩(wěn)定后，記錄相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

試驗(yàn)測(cè)得各點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大載荷時(shí)的應(yīng)力值，并和均布載荷彎曲工況有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比曲線如圖10所示。

由圖10可知，試驗(yàn)車架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與有限元分析結(jié)果趨勢(shì)是一致的，證明了有限元分析模型具有較高的可靠性。同時(shí)可知，對(duì)稱點(diǎn)4與12，結(jié)果偏差較大，但與有限元分析結(jié)果一致；測(cè)點(diǎn)7與13的對(duì)稱性較好，與有限元分析結(jié)果存在一定誤差。測(cè)點(diǎn)1、2、3、5、8、10、11與有限元分析結(jié)果幾乎相等，精確度較高；測(cè)點(diǎn)6的誤差也在可接受范圍之內(nèi)；測(cè)點(diǎn)9處于后緩沖塊螺栓位置附近。有限元分析時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以誤差較大。此外，大部分測(cè)點(diǎn)的誤差率在10%左右。

造成試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果之間存在誤差的主要原因有：有限元分析模型中對(duì)有些結(jié)構(gòu)件和工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)化；試驗(yàn)所采用的載荷施加位置及方式與有限元分析計(jì)算時(shí)的加載有差別；有限元分析中的材料是理想的各向同性的線性材料，而實(shí)際材料特性很難達(dá)到理想狀態(tài)；應(yīng)變片在粘貼時(shí)和車架的測(cè)量表面之間的空氣沒(méi)有排擠干凈，以及應(yīng)變片應(yīng)變方向和車架主應(yīng)力方向不完全一致等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某公司新開發(fā)的輕型卡車車架為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元前處理軟件HyperMesh建立了較完整的整車有限元分析模型，并用NX.Nastran對(duì)車架不同工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了求解。之后，對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和輕量化設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行了車架的臺(tái)架試驗(yàn)，并將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元分析的可靠性。

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修改稿日期：2013-12-15

Optim ization Design and Bench Teston a Light-duty Truck Frame Based on FEMA

Deng Zuping,Gu Yuchuan,Chen Jingyan
（Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd,Automotive Engineering Institute,Guangzhou 511434,China）

With thedevelopmentofa light-duty truck frame,finiteelementanalysisof the framehasbeen completed by HyperWorkssoftware,properelement typesare chosen,theboltconnectionsand welding jointsare simulated, a complete finiteelementmodelof the truck isbuiltup including cabin,box,brackets,frontand rear leafspringsuspensions.Themethodsare researched for adding the constraintsand loadsunder differentconditions,and the stress distribution on the frame iscalculated with NX.Nastran under differentconditions.According to the analysis results, thestructure improvementand lightweightdesign on the framepartsare carried out,whichmakes theweightof frame reducing 4.93%,andmakes the new framemeeting the strength requirement.Finally,under bending condition,the frame static stress-strain testhas been processed.The test and finite element calculations date are in good agreement.

frame；finiteelement；static analysis；structure improvement；lightweightdesign；bench test

U463.32；U 467.5+2

B

1006-3331（2014）02-0054-04

鄧祖平（1988-），男，工程師；主要從事汽車車架設(shè)計(jì)方面的工作。