基于HyperWorks有限元分析的某重型商用車車架輕量化縱梁結(jié)構(gòu)及性能研究

鮑偉東，王曉龍，苗永

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基于HyperWorks有限元分析的某重型商用車車架輕量化縱梁結(jié)構(gòu)及性能研究

鮑偉東，王曉龍，苗永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

對(duì)于重型商用車來(lái)說(shuō)，車架縱梁的結(jié)構(gòu)形式與其裝載貨物的類型和重量密切相關(guān)，車架縱梁的結(jié)構(gòu)形式對(duì)車架的承載能力、抗扭性能起著非常重要的作用。文章針對(duì)新開發(fā)的高強(qiáng)鋼、單層梁車架開展CAE仿真分析，并與現(xiàn)有的雙層梁結(jié)構(gòu)的車架進(jìn)行對(duì)比，最終確定單層梁車架的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度滿足標(biāo)載車型的使用要求。

輕量化；車架；縱梁；強(qiáng)度；剛度

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)重型商用車的認(rèn)識(shí)已不僅僅局限于簡(jiǎn)單的物流工具，他們對(duì)于車輛性能的要求越來(lái)越高。用戶不僅要求在法規(guī)允許的總質(zhì)量條件下貨運(yùn)量更大，還要求車輛具有較高的可靠性和舒適性。車架是整個(gè)車輛的裝配基體，是用來(lái)支撐、連接車輛各零部件、承受來(lái)自車輛內(nèi)外各種載荷的關(guān)鍵總成，良好車架結(jié)構(gòu)和性能是降低車輛底盤自重、提高車輛可靠性和舒適性的關(guān)鍵因素。

文章研究了不同車架縱梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)車架總成性能的影響，對(duì)輕量化單層梁車架進(jìn)行模態(tài)分析、扭轉(zhuǎn)模量分析、彎曲剛度及強(qiáng)度分析，并與現(xiàn)有的雙層梁車架進(jìn)行對(duì)比，最終確定單層梁車架滿足性能要求。輕量化單層梁車架降低了車輛的成本和自重，同時(shí)帶來(lái)了企業(yè)產(chǎn)品成本的降低和用戶收益的提升。

1 車架縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照整車布置及制造形式，車架分為邊梁式、中梁式（或稱脊骨式）和綜合式。重型商用車大多采用承載能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單的邊梁式車架。邊梁式車架由位于左右兩側(cè)的縱梁和若干橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架。其中，縱梁多采用抗彎能力較強(qiáng)的槽型截面設(shè)計(jì)。

按照車輛裝載貨物的類型及重量區(qū)分，目前常見的車架縱梁可分為雙層梁車架、三層梁車架等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。雙層梁車架一般用于標(biāo)載運(yùn)輸，三層梁車架一般用于重載運(yùn)輸。本文對(duì)車架進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成高強(qiáng)鋼、單層梁車架的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。相比雙層梁車架，高強(qiáng)鋼、單層梁車架具有加工方便、成本低、自重輕的特點(diǎn)，而且標(biāo)載情況下車架承載能力相當(dāng)。

圖1 常見車架縱梁結(jié)構(gòu)形式

圖2 單層梁車架

作為對(duì)比分析，文章在相同的工況下，對(duì)雙層梁車架與單層梁車架進(jìn)行模態(tài)分析、扭轉(zhuǎn)模量分析、彎曲剛度及強(qiáng)度分析，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)單層梁車架的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 車架有限元分析

2.1 模型的建立

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的車架縱梁有限元分析模型

將車架的CATIA三維模型（含前端附件、管梁、板簧支座）轉(zhuǎn)換為stp格式，導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行前處理工作。建立車架有限元分析模型時(shí)，鈑金件用殼單元模擬，單元平均尺寸10mm；鑄造件用四面體單元模擬，單元平均尺寸5mm。模型網(wǎng)格以四邊形（理想網(wǎng)格）為主，含少數(shù)三角形單元。對(duì)于螺栓連接和鉚釘連接，采用剛性單元RBE2與梁?jiǎn)卧猚bar相結(jié)合的形式，避免出現(xiàn)局部剛度突變，以提供較好的局部剛度效果。雙層梁車架與單層梁車架有限元分析模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及施加載荷

根據(jù)車架的實(shí)際受力情況，雙層梁車架與單層梁車架按相同的裝載貨物質(zhì)量以均布載荷的形式加載到副車架上，如圖3。隨車附件（如安裝在縱梁上的燃油箱、蓄電池箱等）質(zhì)量按實(shí)際的裝配和固定位置在幾何中心模擬質(zhì)心單元，其它結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量通過(guò)HyperMesh定義密度即可。

2.3 有限元分析結(jié)果

2.3.1 車架自由模態(tài)分析結(jié)果

通過(guò)HyperMesh進(jìn)行有限元分析，最終得出雙層梁、單層梁兩種結(jié)構(gòu)車架的自由模態(tài)分析結(jié)果，如下表1。

表1 兩種縱梁結(jié)構(gòu)下的車架自由模態(tài)分析結(jié)果

由上表車架自由模態(tài)分析結(jié)果可以看出，雙層梁與單層梁車架自由模態(tài)的頻率基本一致。

2.3.2 車架扭轉(zhuǎn)模量分析結(jié)果

雙層梁與單層梁車架基于HyperMesh的扭轉(zhuǎn)模量分析結(jié)果如圖4所示。

a) 雙層梁車架 b) 單層梁車架

基本所有的國(guó)內(nèi)商用車生產(chǎn)廠家均采用ECS評(píng)價(jià)指標(biāo)，即It Target Range大于3× 106mm4。通過(guò)對(duì)雙層梁與單層梁車架扭轉(zhuǎn)模量的分析結(jié)果可以看出，值基本一致，且均大于ECS的推薦值（大于3×106mm4），具體計(jì)算如下：

車架扭轉(zhuǎn)慣性矩（Frame Torsional Moment of Inertia）(單位：mm4)

扭矩（Torsional Moment Axle Position）(單位：N.mm)

兩支點(diǎn)間的距離（Wheelbase/Distance between Load -ing Points）(單位：mm)

剪切模量（Shear Modulus）(單位：N/mm2)

（Twist Angle）(單位：rad)

雙層梁-扭轉(zhuǎn)模量計(jì)算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1083rad

滿足ECS推薦值。

單層梁-扭轉(zhuǎn)模量計(jì)算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1233rad

滿足ECS推薦值。

2.3.3 車架彎曲剛度分析結(jié)果

車架彎曲剛度分析結(jié)果如圖5。在前板簧后支架與后板簧前支架中心處的車架上翼面施加沿Z向向下的載荷20000N。

圖5 兩種車架結(jié)構(gòu)的彎曲剛度分析

通過(guò)對(duì)雙層梁車架與單層梁車架彎曲剛度分析可以看出，在加載相同的載荷條件下，加載點(diǎn)Z向的位移基本相同，因此彎曲剛度也基本相同，具體計(jì)算如下。

雙層梁-彎曲剛度計(jì)算：

=0.667mm；=4000mm

注：為加載點(diǎn)Z向位移量。

單層梁-彎曲剛度計(jì)算：

=0.718mm；L=4000mm

注：為加載點(diǎn)Z向位移量。

2.3.4 車架強(qiáng)度分析結(jié)果

通過(guò)有限元分析得出兩種結(jié)構(gòu)下車架的安全因子云圖，如圖6～圖9所示。

圖6 車架垂向受力時(shí)安全因子云圖

圖7 車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)安全因子云圖

圖8 車架扭轉(zhuǎn)時(shí)安全因子云圖

圖9 車輛制動(dòng)時(shí)安全因子云圖

通過(guò)仿真分析，得出兩種車架結(jié)構(gòu)的最小安全因子如表2。

表2 兩種車架結(jié)構(gòu)的安全因子

從分析結(jié)果可以看出，在垂向受力、車輛轉(zhuǎn)彎、車架扭轉(zhuǎn)、車輛制動(dòng)四個(gè)工況時(shí)，單層梁車架的技術(shù)狀態(tài)均達(dá)到要求。

3 結(jié)論

通過(guò)HyperMesh對(duì)雙層梁車架與單層梁車架進(jìn)行模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模量、車架強(qiáng)度仿真分析，具體如下：

（1）車架模態(tài)分析：車架一階扭轉(zhuǎn)頻率為3.93 Hz（雙層梁車架）和3.91 Hz（單層梁車架），一階橫擺頻率為9.86 Hz（雙層梁車架）和9.83 Hz（單層梁車架），一階彎曲頻率為11.95 Hz（雙層梁車架）和11.84 Hz（單層梁車架）。單層梁車架的一階扭轉(zhuǎn)頻率、橫擺頻率、彎曲頻率分別與雙層梁車架基本一致。

（2）扭轉(zhuǎn)模量分析：車架扭轉(zhuǎn)模量為4.16×106mm4/rad（雙層梁車架）和3.65×106mm4/rad （單層梁車架），大于推薦目標(biāo)值3×106，滿足要求。

（3）彎曲剛度分析：車架彎曲剛度為1.92×1015N·mm2（雙層梁車架）和1.78×1015N·mm2（單層梁車架）。

（4）車架強(qiáng)度分析：?jiǎn)螌恿很嚰艿陌踩蜃泳笥诘扔?。

因此，在標(biāo)載運(yùn)輸下，單層梁車架結(jié)構(gòu)可滿足使用要求。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造下冊(cè)（第三版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 熊永華,杜發(fā)榮,高峰,等.輕型載貨汽車車架動(dòng)態(tài)特性分析與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2007,24(4):32-35.

[3] 鐘佩思,趙丹,孫雪顏,等.基于ANSYS的汽車車架的建模與模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及制造,2008,06(06):52-53.

Research on Structure and Performance of Lightweight Longitudinal Beam of aHeavy Commercial Vehicle Frame Based on HyperWorks Finite Element Analysis

Bao Weidong, Wang Xiaolong, Miao Yong

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

For heavy commercial vehicles, the structural form of the frame rails is closely related to the type and weight of the loaded goods. The structural form of the frame rails plays a very important role in the bearing capacity and torsion resistance of the frame. In this paper, the CAE simulation analysis of the newly developed high-strength steel and single-story beam frame is carried out, and compared with the existing double-layer beam structure frame, the modal, stiffness and strength of the single-story beam frame are finally determined to meet the standard load. The use requirements of the model.

Lightweight; FrameStringer; Strength; Stiffness

A

1671-7988(2018)18-54-04

U462

A

1671-7988(2018)18-54-04

CLC NO.: U462

鮑偉東，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.020