基于有限元分析及應(yīng)力電測試驗(yàn)的某商用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

文楚

【摘 要】商用車工況復(fù)雜且惡劣，車架作為其重要的承重載體，車架的可靠性尤為重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法過于依賴經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的車架通常都比較笨重，因此車架結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化直接關(guān)系到整車設(shè)計(jì)的成敗。輕量化設(shè)計(jì)為當(dāng)今汽車發(fā)展的趨勢，設(shè)計(jì)師在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，如何保證其可靠性是輕量化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。有限元分析和應(yīng)力電測試驗(yàn)等手段能較好地解決這一問題。

【關(guān)鍵詞】有限元分析；應(yīng)力電測實(shí)驗(yàn)；輕量化

【中圖分類號】U463.32 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0028-05

隨著汽車工藝的迅猛發(fā)展，汽油、柴油和天然氣等能源大量消耗，節(jié)能減排是大勢所趨，而汽車輕量化設(shè)計(jì)能有效降低產(chǎn)品的油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本文主要介紹了如何有效地使用有限元分析及應(yīng)力電測試驗(yàn)等手段，在保證產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更合理、更輕量化的產(chǎn)品的過程。

1 有限元分析

汽車是由成千上萬個(gè)零部件有機(jī)組合而成的，構(gòu)造復(fù)雜。若想準(zhǔn)確分析其內(nèi)部零件的受力情況，極其困難，而有限元分析能把需要處理的復(fù)雜的連續(xù)單元或方程簡化成有限個(gè)簡單的離散單元或方程，通過對這些有限個(gè)簡化后的單元和方程進(jìn)行分析計(jì)算，求出最終的解，這個(gè)解不是原方程的準(zhǔn)確解，是一個(gè)近似的解，但這個(gè)解正是工程設(shè)計(jì)所需要的。本文通過對實(shí)車進(jìn)行三維建模，利用有限元軟件對三維模型進(jìn)行簡化處理，建立CAE模型如圖1所示。

根據(jù)實(shí)車行駛情況，模擬計(jì)算了彎曲重載工況、普通制動(dòng)工況、緊急制動(dòng)工況、普通轉(zhuǎn)向工況、緊急轉(zhuǎn)向工況、前扭工況和后扭工況。車架本體應(yīng)力最大的工況為后扭工況，其受力結(jié)果如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述有限元分析結(jié)果表明，大側(cè)板前端強(qiáng)度富余，鞍座底板及內(nèi)加強(qiáng)板利用率較低，可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)變更如圖3所示。

同樣，利用有限元分析軟件對優(yōu)化后的車架進(jìn)行簡化處理，建立有限元模型，模擬計(jì)算了彎曲重載工況、普通制動(dòng)工況、緊急制動(dòng)工況、普通轉(zhuǎn)向工況、緊急轉(zhuǎn)向工況、前扭工況、后扭工況和卸載工況，其有限元模型和分析結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

優(yōu)化后車架的重量較優(yōu)化前降低了222.9 kg，但由于鞍座高度降低了40 mm，優(yōu)化后車架本體并未出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)榘白装?，采用高?qiáng)度鋼板即可解決該問題。根據(jù)有限元分析結(jié)果，分別提取優(yōu)化前和優(yōu)化后的車架本體分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1。

表1中的數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于優(yōu)化前。但由于有限元模型的局限性，其應(yīng)力數(shù)值不能作為證明車架可靠的依據(jù)，只能作為判斷車架應(yīng)力分布趨勢的依據(jù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證其改善效果，需對實(shí)車進(jìn)行應(yīng)力電測試驗(yàn)。

3 應(yīng)力電測試驗(yàn)

應(yīng)力電測試驗(yàn)的原理是將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，而金屬在機(jī)械性地伸長或縮短時(shí)，其電阻值會隨之變化，通過測量應(yīng)變片的電阻值的變化即可得到應(yīng)力的變化情況。

針對有限元分析高應(yīng)力區(qū)域和售后反饋失效區(qū)域，對優(yōu)化后車架進(jìn)行應(yīng)力電測試驗(yàn)布點(diǎn)，共測試了20個(gè)位置，具體測點(diǎn)位置如圖6所示。

本次應(yīng)力電測試驗(yàn)進(jìn)行了靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試，靜態(tài)測試主要進(jìn)行了重載彎曲工況和卸載工況的測試，未發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力危險(xiǎn)測點(diǎn)，與CAE分析應(yīng)力分布趨勢基本一致，其測試波形、測試數(shù)據(jù)和與有限元分析對比結(jié)果如表2、圖7、圖8所示。

動(dòng)態(tài)測試在試驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行，車速為10～40 km/h，測試路況及行車路線、數(shù)據(jù)波形圖如圖9、圖10所示。

在工程應(yīng)用中，通常都采用疲勞分析理論對采集到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。如圖11所示，材料的極限應(yīng)力曲線為A 'G 'C，材料中發(fā)生的應(yīng)力如果處于OA 'G 'C區(qū)域以內(nèi)，則表示未發(fā)生破壞，如果在此區(qū)域以外，則表示一定發(fā)生了破壞，如果正好處于折線上，則表示工作應(yīng)力狀況正好達(dá)到極限狀態(tài)。

根據(jù)以上疲勞分析理論，將采集到的動(dòng)態(tài)電測試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析。由于缺少脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力的疲勞極限，我們保守地直接將其材料對稱循環(huán)的疲勞極限和屈服極限連成一條線，分析結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看到，所有路況動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)均在極限應(yīng)力曲線范圍內(nèi)，材料不會發(fā)生破壞，車架的強(qiáng)度能滿足安全使用要求。

4 結(jié)語

上述產(chǎn)品經(jīng)優(yōu)化后，單個(gè)產(chǎn)品重量降低了約223 kg、材料成本降低了約1 340元、油耗費(fèi)用降低了約5 340元/年，且售后反饋車架未出現(xiàn)故障?？梢姡ㄟ^本文論述的設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可靠性較好，且設(shè)計(jì)效率較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫啟會，閔鵬.有限元法在汽車車架分析中的應(yīng)用[J].重型汽車，2001（5）：20-21.

[2]周國新.車輛車架的強(qiáng)度分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005（10）：82-83.

[3]蒲良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第7版.北京：高等教育出版社，2001.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]