基于CAE的鋁合金車架設(shè)計(jì)問題研究

王新愿，周金霞

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

CAE指的是工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程，其全稱為Computer Aided Engineering，是指利用計(jì)算機(jī)輔助求解來對復(fù)雜產(chǎn)品與工程的彈塑性、三維多體接觸、熱傳導(dǎo)、動(dòng)力響應(yīng)、屈曲穩(wěn)定性、剛度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析，以及對復(fù)雜產(chǎn)品與工程的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化等[1]。通過CAE可以對生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)的組織，其關(guān)鍵就是對有關(guān)的信息通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成，使其產(chǎn)生并最終存在于產(chǎn)品的完整生命周期。而CAE軟件可以對靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析電磁、流體與固體結(jié)構(gòu)，以及研究非線性與線性問題等。CAE從六十年代初期開始應(yīng)用在工程上，至今已經(jīng)有五十多年的發(fā)展歷史，其理論和算法已經(jīng)日漸成熟，現(xiàn)已成為土木結(jié)構(gòu)、機(jī)械、航天、航空等領(lǐng)域不可或缺的計(jì)算數(shù)值的工具，同時(shí)也是對連續(xù)力學(xué)等各類問題進(jìn)行分析的一種重要手段[2]。而鋁合金材料具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，鋁合金的比強(qiáng)度高、力學(xué)性能好，而且鋁合金的密度僅為2.7×103kg/m3，具有良好的抗腐蝕性能、導(dǎo)熱性能與機(jī)械加工性能。同時(shí)鋁是可再生金屬，回收性很高。因此，鋁合金在車架上的應(yīng)用范圍非常廣泛，現(xiàn)已成為很多車型車架的首選材料。因此鋁合金車架很多都是基于CAE來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但這些基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架在設(shè)計(jì)上也有很多問題存在。

1 整體架構(gòu)問題

基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架在整體架構(gòu)上存在一定問題?；贑AE設(shè)計(jì)的鋁合金車架通常使用具有強(qiáng)力抗腐蝕性、高強(qiáng)度以及可焊性等優(yōu)點(diǎn)的T651或T6狀態(tài)的6061工業(yè)鋁型材作為該鋁合金車架的材料，采用的驅(qū)動(dòng)布置形式是發(fā)動(dòng)機(jī)后置后橋，采用的驅(qū)動(dòng)形式是軸數(shù)為2，3×2的驅(qū)動(dòng)形式，采用鋼板彈簧懸架作為該鋁合金車架的前后懸架。

基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架的整體架構(gòu)通常采用邊梁式車架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由若干橫梁與兩根位于兩邊的縱梁所組成。這種架構(gòu)有著突出的優(yōu)點(diǎn)，即整體由橫梁與縱梁支撐起來，車架結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固，然而這種鋁合金車架的架構(gòu)設(shè)計(jì)也存在著一些問題，例如這種車架整體剛度與強(qiáng)度同其他硬性金屬材料相比存在不足，特別是對該車架處于最大彎曲工況，即該車架所有車輪都處于同一水平面上的靜態(tài)滿載狀態(tài)以及處于最大扭曲工況，即該車架的一橋右輪為懸空狀態(tài)而其余車輪則同時(shí)處于同一水平面上的狀態(tài)對該車架進(jìn)行撓度與強(qiáng)度的校核，可以發(fā)現(xiàn)該鋁合金車架的最大彎曲工況為惡劣工況，該車架最大應(yīng)力峰值與硬性金屬材料組成的車架相比峰值仍然不高，無法完全防止應(yīng)力集中問題。另外基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架整體架構(gòu)雖然穩(wěn)固，然而抗震性能有所不足，在經(jīng)過抗震性能的實(shí)驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)該鋁合金車架的抗震性能比較適用于小型車輛，應(yīng)用在大型車輛上時(shí)明顯抗震性能不足。

2 性能問題

基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架使用的是傳統(tǒng)車架強(qiáng)度校核法，即只考慮垂直載荷問題，而對幾乎與彎矩同量級的、由儲(chǔ)氣筒、電瓶與油箱造成的轉(zhuǎn)矩問題不加考慮，將整個(gè)梯型鋁合金車架直接簡化為兩根不相干的縱梁，利用簡支梁公式來對車架的撓度與應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。顯然這種設(shè)計(jì)與實(shí)際工況并不十分相符。因此在進(jìn)行性能方面的試驗(yàn)之后暴露出了該鋁合金車架存在的性能問題。一方面是在該鋁合金車架處于靜態(tài)滿載狀態(tài)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)該車架靜撓度超標(biāo)。另一方面是在行駛過程中很容易出現(xiàn)早期開裂的問題。這主要是由于該車架主縱梁的腹板與翼板比不夠恰當(dāng)，導(dǎo)致該鋁合金車架相比國外同噸級車架的縱梁截面抗彎強(qiáng)度明顯偏小。車架的剛度設(shè)計(jì)欠佳，因此出現(xiàn)了靜撓度超標(biāo)的現(xiàn)象。另外該車架的內(nèi)襯加強(qiáng)梁的布置也不夠妥當(dāng)。

眾多支架的交匯容易造成局部剛度發(fā)生變化，又由于支架較多，致應(yīng)力比較集中，因此內(nèi)襯加強(qiáng)梁的前端容易延伸到危險(xiǎn)區(qū)后端，這就等于在原本的危險(xiǎn)區(qū)上又加了一個(gè)縱梁整體剛度跳躍。

3 部件問題

鋁型材為了增強(qiáng)局部強(qiáng)度并滿足部件連接要求，可以加工成各種各樣極其復(fù)雜的截面形狀，并且鋁合金的材料可塑性很強(qiáng)，然而鋁型材應(yīng)用于支架結(jié)構(gòu)時(shí)很容易在例的沖撞下發(fā)生變形現(xiàn)象?；贑AE設(shè)計(jì)的鋁合金車架最主要的起承載作用的部件就是橫梁和縱梁，其主要參數(shù)和形狀則如圖1和圖2所示。

二者的截面形狀都是箱型截面，為了使穿過縱梁底部的支承橫梁配合與縱梁下端兩側(cè)邊緣的復(fù)雜形狀截面的間接焊接，需在中間使用件三角鋁板等配件。然而該鋁合金車架的板簧懸架無法直接在縱梁壁上安裝，因此需要為其設(shè)計(jì)一對前后安裝支座。前后支座分別固定于與縱梁連接的四根相對應(yīng)的橫梁上，并且每對前后支座均由鋼板彈簧來進(jìn)行相互連接，支座的固定與定位需要利用專門的鋁制套筒來進(jìn)行，將鋁制套筒直接在橫梁上進(jìn)行焊接。這就增加了該車架的自重并間接增加了許多零部件的裝配工作。

圖2 縱梁主要參數(shù)和形狀圖

4 結(jié)語

基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架既有顯著的優(yōu)勢同時(shí)也存在著很多需要調(diào)整的問題。對這些問題進(jìn)行總結(jié)可以促進(jìn)基于CAE設(shè)計(jì)的鋁合金車架在設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步與整體性能的進(jìn)步。