運動型多功能汽車車架的有限元分析

□徐 勇 □楊喜東 □牛寶忠 □傅春宏

奇瑞汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241006

1 研究背景

對于運動型多功能汽車（SUV）中起主要承載功能的車架而言，復(fù)雜的行駛路況和較重的行駛負載是其無法繞開的技術(shù)難題，加上日益嚴峻的環(huán)保排放要求和用戶燃油經(jīng)濟性的需求，必須設(shè)計具備結(jié)構(gòu)輕量化和足夠強度與剛度的車架，來保證SUV的可靠性和壽命。

應(yīng)用有限元分析法可以解決以前手工計算時存在的眾多難題，筆者通過對SUV車架進行有限元分析研究，使復(fù)雜問題得到解決[1-2]。

在汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析中，早期多采用梁單元進行結(jié)構(gòu)離散化。近年來，由于計算機軟件和硬件飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量分析發(fā)展到定量分析[3-4]。應(yīng)用范圍的不斷擴大，使有限元分析不僅能處理靜力方面的難題，而且能進行動態(tài)分析。有限元分析的處理對象也不斷增加，由以前單一的彈性介質(zhì)擴展到目前黏著性、彈性、塑性等材料[5]，從以前的桿梁問題擴展到平面、空間及板殼問題。應(yīng)用有限元軟件，獲得更為卓越的車架設(shè)計技術(shù)，同時能及時了解設(shè)計過程中存在的問題，綜合考慮車架構(gòu)造及外力負載的復(fù)雜性，進而獲得更加優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果[6]。

2 有限元建模

應(yīng)用CATIA V5軟件中草圖和零部件設(shè)計兩個模塊，完成創(chuàng)建SUV車架三維模型，如圖1所示。

圖1 SUV車架三維模型

3 有限元分析

將SUV車架三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件[7]，建立車架結(jié)構(gòu)模型。

定義單元類型，選中實體單元為Solid Brick 8 node 45單元。

設(shè)置材料屬性，車架材料屬性見表1所示。

表1 車架材料屬性

通過菜單 Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete建立懸架模型[8]。

劃分網(wǎng)格。該有限元模型包含20 380個實體單元、8個螺旋彈簧單元，以及8個模擬懸架的MPC184剛性梁單元。

3.1 靜力分析

進行有限元靜力分析時，需對模型的工況進行限制。限制方式應(yīng)確保結(jié)構(gòu)不會造成剛性位移，使總剛度方程具有唯一解。車輛工況主要包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和轉(zhuǎn)彎四種，其中彎曲和扭曲的影響最大。因此，將彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況作為研究對象。為確保有限元模型不會造成剛性位移，對這兩種工況進行限制處理。

彎曲工況模擬在滿載條件下，車輛四輪在路面上以恒定速率向前移動的情況。當有限元求解模擬彎曲工況時，車架所承受的質(zhì)量和負載要乘以動態(tài)負載因數(shù)，來進行框架結(jié)構(gòu)的強度和剛度校正。

在處理求解時，彎曲工況約束狀態(tài)如表2所示。

表2 彎曲工況節(jié)點約束狀態(tài)

表2中所示節(jié)點為理論節(jié)點，實際作用節(jié)點以有限元模型中的節(jié)點號為準。Ux、Uy、Uz為節(jié)點平動自由度，ROTx、ROTy、ROTz為繞軸轉(zhuǎn)動自由度，Y表示對該自由度進行約束。

扭轉(zhuǎn)工況指單個輪胎懸空、其它三個輪胎承載車輛的臨界狀態(tài)。在開始求解時，前懸架支架與輪胎連接±20 mm處往Y向偏移，與水平位移相反。車輛受到最惡劣的扭轉(zhuǎn)工況通常是慢速行駛在凹凸坎坷的路面時產(chǎn)生的，因為此時汽車行駛速度慢，慣性載荷小，最大動載荷因數(shù)為2.3。在處理求解時，扭轉(zhuǎn)工況約束狀態(tài)如表3所示。

表3 扭轉(zhuǎn)工況節(jié)點約束狀態(tài)

按上述工況約束限制好后，再進行載荷加載處理，最后進行車架結(jié)構(gòu)靜力分析。在MPC184剛性梁單元連接下，兩種工況的應(yīng)力和變形分別如圖2～圖5所示。

3.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

車架構(gòu)造的模態(tài)研究是汽車新產(chǎn)品研發(fā)中的主要任務(wù)，特別是車架構(gòu)造的低階彈性模態(tài)，不但表明了車架的剛度性能，而且是分析汽車產(chǎn)生振動的重要依據(jù)，應(yīng)該視作汽車新產(chǎn)品研發(fā)的強制性審核標準。

ANSYS給予七種模態(tài)提取方式，其中分塊蘭喬斯方式因精確度高與求解速率快等優(yōu)點被普遍應(yīng)用，筆者應(yīng)用這一方式提取SUV車架結(jié)構(gòu)的前八階

圖2 彎曲工況應(yīng)力分布

圖4 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布

圖3 彎曲工況變形分布

圖5 扭轉(zhuǎn)工況變形分布

模態(tài)[8-9]。經(jīng)過后處理，獲得SUV車架的前二十階固有頻率，見表4。

表4 SUV車架結(jié)構(gòu)前二十階固有頻率 Hz

當汽車以較高速度在寬闊的路面上行駛時,常受到對稱垂直載荷作用，這類載荷最易引起車架結(jié)構(gòu)的彎曲模態(tài)。通過上述彎曲模態(tài)分析，能夠掌握車架在不同階次下的頻率[10]。模態(tài)分析的目的是評估車架的強度。上述分析中，車架彎曲最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架最后一根橫梁處，應(yīng)力值為56.1 MPa,變形量為0.119 mm。車架扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架倒數(shù)第二根橫梁處，應(yīng)力值為53.8 MPa，變形量為0.134 mm。兩處應(yīng)力和變形量均在允許范圍之內(nèi)，車架結(jié)構(gòu)能適應(yīng)既定工況，滿足強度和剛度的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

筆者應(yīng)用CAITA軟件參數(shù)化建模和ANSYS軟件對SUV車架進行強度和剛度分析，有利于指導(dǎo)整車開發(fā)項目，并通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力工程分析，在新車試制階段及時發(fā)現(xiàn)問題，促進問題的解決。