基于HyperMesh的某輕卡車架開裂分析

張小雨，劉迪

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基于HyperMesh的某輕卡車架開裂分析

張小雨，劉迪

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車架作為汽車的主要承載部件，其性能直接關(guān)系到整車性能好壞。以某輕型卡車車架出現(xiàn)縱梁出現(xiàn)開裂裂為切入點(diǎn)，運(yùn)用UG軟件對(duì)貨車車架進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過HyperMesh軟件建立其有限元模型，分析貨車車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的變形及應(yīng)力分布情況，同時(shí)對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析及強(qiáng)度校核，為進(jìn)一步優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)避免此類市場問題發(fā)生提供參考依據(jù)。

輕卡車架；UG；HyperMesh；有限元分析

前言

車架是汽車的關(guān)鍵承載部件，主要有兩個(gè)功用：一是支承連接汽車的各零部件，二是汽車的主要承載部件，承受來自汽車內(nèi)、外的各種載荷，其性能直接關(guān)系到整車性能的好壞[1,2]。車架工作時(shí)要承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪切力，同時(shí)受到來路面和車橋的激振而產(chǎn)生振動(dòng)，設(shè)計(jì)合理的車架結(jié)構(gòu)是相當(dāng)重要的。車輛在行駛過程中，若作用在車架上的動(dòng)載荷頻率接近車架結(jié)構(gòu)的固有頻率，就會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲，影響駕駛及乘坐舒適性，并且共振時(shí)間過長極易導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)變形、疲勞破壞，影響安全性和整車的使用壽命[2-,3]。因此，確定車架的固有頻率及振型對(duì)車架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)尤為重要[4]，車架的強(qiáng)度計(jì)算及其結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在當(dāng)今汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。

1 車架開裂問題分析

1.1 車架開裂及變形市場問題概況

通過走訪市場發(fā)現(xiàn)車架斷裂變形處集中發(fā)生在貨箱與駕駛室之間的位置。如圖1所示：

1.2 有限元數(shù)模的建立

按照圖紙尺寸利用UG建模模塊建立車架模型。如圖2所示。

根據(jù)車架數(shù)模建立有限元分析模型，如圖3所示。鈑金件采用SHELL單元離散，鑄件采用SOLID單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬，集中質(zhì)量采用CONM2單元模擬。整車質(zhì)量配重如表1所示。分析中所使用的軟件有HYPER MESH、NASTRAN和HYPERVIEW。

圖1 實(shí)車狀態(tài)車架斷裂變形狀況

圖2 車架模型及結(jié)構(gòu)

圖3 車架有限元分析模型

表1 整車質(zhì)量配重

根據(jù)汽車在實(shí)際行駛過程中驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和垂直沖擊四種工況，建立車身強(qiáng)度分析工況邊界條件如表2及圖2所示：

表2 強(qiáng)度分析邊界條件（典型工況）

1.3 有限元數(shù)模求解結(jié)果

驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和垂直沖擊四種工況下的應(yīng)力云圖如圖4-7所示：

圖4 驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖5 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖6 轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖

圖7 垂直沖擊工況應(yīng)力云圖

對(duì)于車架四種典型工況分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 車架強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果

目標(biāo)值：安全系數(shù)（驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向）≥1.2；安全系數(shù)（垂直沖擊工況）≥1。

1.4 數(shù)據(jù)解析

由以上分析可知，

1）左縱梁在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和沖擊工況下均不滿足要求，但只有制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)工況時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)在車架縱梁開裂位置，其他工況不在此位置；

2）右縱梁在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和沖擊工況下不滿足要求，但只有制動(dòng)工況最大應(yīng)力點(diǎn)在此次市場車架開裂位置，其他工況最大應(yīng)力點(diǎn)不在此位置；

3）第二橫梁在轉(zhuǎn)向時(shí)零件應(yīng)力超標(biāo)，可能是由于模型設(shè)定導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中；

4）第三橫梁在垂直沖擊條件下安裝螺栓孔附件產(chǎn)生最大應(yīng)力，結(jié)合相似車型三橫梁市場表現(xiàn)，初步分析是由于模型網(wǎng)格劃分不良導(dǎo)致；

5）另外，由于實(shí)際工況縱梁與加固版之間存在力的傳遞關(guān)系，而在分析過程中并未考慮到此部分，因而縱梁的應(yīng)力會(huì)比實(shí)際值偏大。

2 車架開裂原因分析

關(guān)于此次市場車架開裂位置比較集中，均為單排駕駛室支撐后端與貨箱之間，開裂原因分析如下：

1）排放升級(jí)后，動(dòng)力普遍加強(qiáng)而部分車架沒有加強(qiáng)：許多國四、國五目前發(fā)動(dòng)機(jī)排放升級(jí)后，都采取渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力比原先強(qiáng)，導(dǎo)致用戶超載嚴(yán)重；

2）單排廂式車縱梁前端剛好在縱梁變形位置：部分貨箱縱梁在車架縱梁外側(cè)，導(dǎo)致縱梁局部受力嚴(yán)重，從而變形甚至斷裂；但同類布置車型未發(fā)生此類斷裂，故此項(xiàng)應(yīng)該不是縱梁斷裂的主要原因；

3）上翼面排半駕駛室支撐孔在該位置，x尺寸為x=677和x=737，其中x=677孔剛好在貨箱縱梁前端，導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步集中到孔上。

4）部分車型車架斷裂處缺少加固板，安全系數(shù)較小。

3 整改措施

1）去除縱梁上翼面多余孔位，盡可能減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生；

2）對(duì)于單層車架的車型，增加前加固版；

3）對(duì)于二類出廠的產(chǎn)品，建議貨箱與縱梁之間增加性能較好的墊木，防止縱梁與車架縱梁的直接接觸。

4 總結(jié)

通過熟練使用有限元分析軟件對(duì)此次市場問題進(jìn)行了深入的分析，更加全面的了解了車架力學(xué)性能，為解決此類市場問題提供了理論依據(jù)，指明了車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，避免了此類問題的再次發(fā)生。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2] 孫艷鵬.載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化[D].重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 蔣孝煜.有限元基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社.1992.

[5] 王鈺棟.HyperMesh＆HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社.

Analysis of cracking of a light truck frame based on HyperMesh

Zhang Xiaoyu, Liu Di

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The frame is the main load-bearing component of the car, and its performance is directly related to the perfor -mance of the whole vehicle. Taking the cracking of the longitudinal beam in a light truck frame as the starting point, the UG software is used to model the three-dimensional solid body of the truck frame, and the finite element model is established by HyperMesh software to analyze the frame of the truck under bending and torsion conditions. Deformation and stress distribution, and modal analysis and strength check of the frame, provide a reference for further optimization of the frame structure to avoid such market problems.

frame of truck; Unigraphics NX;Hypermesh; finite element analysis

U467

B

1671-7988(2018)24-129-03

U467

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1671-7988(2018)24-129-03

張小雨，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.047