關(guān)于CAE 技術(shù)在汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊強(qiáng)，王文磊，張琦，王宏斌，王珊珊

（陜汽集團(tuán)商用車(chē)有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 概述

商用車(chē)是在設(shè)計(jì)和技術(shù)特征上用于運(yùn)送人員和貨物的汽車(chē)，分為貨車(chē)和客車(chē)。而商用貨車(chē)根據(jù)用途不同，分為自卸車(chē)和牽引車(chē)。車(chē)架是商用貨車(chē)的重要組成部分，是支撐和連接汽車(chē)的總成。并承受來(lái)自車(chē)內(nèi)外的各種載荷。因此，車(chē)架在滿足汽車(chē)總布置的情況下，必須具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，以使其正常工作。本文通過(guò)應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)某商用貨車(chē)牽引車(chē)車(chē)架進(jìn)行力學(xué)分析。以此了解車(chē)架的力學(xué)特性，校核車(chē)架強(qiáng)度是否滿足要求。

2 車(chē)架構(gòu)成及分析方法的確定

2.1 車(chē)架構(gòu)成

某牽引車(chē)車(chē)架，車(chē)架主體結(jié)構(gòu)形式為邊梁式。由兩根縱梁及若干橫梁組成。縱梁斷面為箱型結(jié)構(gòu)；第一橫梁采用管狀結(jié)構(gòu)，橫梁兩端與縱梁通過(guò)螺栓連接；中間兩根橫梁分別是壓型槽鋼，結(jié)構(gòu)兩端與縱梁螺栓連接；平衡軸處的橫梁是壓型槽鋼結(jié)構(gòu)，與縱梁連接處用加強(qiáng)板加強(qiáng)。平衡軸連接座與縱梁下翼面通過(guò)螺栓連接；尾梁是整體式箱型結(jié)構(gòu)，并與縱梁鉚接；變速箱下方的盆梁與縱梁下翼板螺栓連接。

2.2 分析方法的確定

目前，CAE 技術(shù)已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)的主要技術(shù)，在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期等方面，發(fā)揮重要作用。本文主要通過(guò)應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行分析研究。

3 有限元分析

3.1 建立車(chē)架有限元模型

利用CATIA 軟件對(duì)車(chē)架及主要附件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)。在建立車(chē)架模型時(shí)，為反映實(shí)車(chē)結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)架縱梁、橫梁及主要承載零件進(jìn)行模型搭建，對(duì)車(chē)架及附件承受的質(zhì)量，簡(jiǎn)化為質(zhì)心，通過(guò)質(zhì)心位置進(jìn)行模擬。簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖1 所示。

圖1 車(chē)架有限元模型

對(duì)車(chē)架-輪胎-路面邊界，用剛性單元模擬輪胎，確定對(duì)輪胎的約束，鋼板彈簧用兩根剛度不同的彈簧單元模擬，用截面不同的梁?jiǎn)卧B接，使之相互作用形成一個(gè)整體。[1]

3.2 施加載荷和約束

汽車(chē)在復(fù)雜的行駛過(guò)程中，會(huì)受到各種載荷，例如側(cè)向載荷及縱向載荷。車(chē)架在載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形等因此，在車(chē)架上分別施加側(cè)向載荷和縱向載荷。

約束主要考慮地面通過(guò)前后懸給車(chē)架傳來(lái)的力和不同工況下所帶來(lái)的特定限制。在本文中，主要通過(guò)約束前后懸與車(chē)架的連接處，對(duì)車(chē)架進(jìn)行約束。

3.3 工況選取

進(jìn)行靜載荷分析的四個(gè)工況如下：工況1：汽車(chē)滿載靜止，垂向加速度3.5g；工況2：汽車(chē)滿載轉(zhuǎn)彎（向右），因牽引車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，側(cè)向加速度在大于0.6g 時(shí)，會(huì)發(fā)生側(cè)翻，因此，這里取側(cè)向加速度0.6g；工況3：汽車(chē)扭轉(zhuǎn)工況，即滿載，左前輪抬高0.150m，右后輪抬高0.150m。工況4：汽車(chē)滿載靜止，在制動(dòng)時(shí)，汽車(chē)受到的最大制動(dòng)減速度為0.8g，因此，這里取制動(dòng)減速度0.8g，垂向加速度1g。

表1 工況

3.4 各工況計(jì)算結(jié)果及分析

該車(chē)架使用610L 材料，綜合考慮該牽引車(chē)的行駛工況，安全系數(shù)取值n=1。

3.4.1 工況1

汽車(chē)在受到垂向沖擊時(shí)，在壓力作用下，車(chē)架會(huì)發(fā)生一定的彎曲，該工況下車(chē)架的靜態(tài)安全因子值如圖2 所示。從圖中可以看出，縱梁的最小靜態(tài)安全因子為1.007，大于材料的安全系數(shù)，因此車(chē)架在垂向沖擊狀態(tài)下是安全可靠的。

圖2 垂向沖擊

3.4.2 工況2

車(chē)架滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)，考慮側(cè)向加速度對(duì)車(chē)架受力的影響。該工況車(chē)架上的靜態(tài)安全因子值如圖3 所示。從圖中可以看出，縱梁的最小靜態(tài)安全因子為2.135，大于材料的安全系數(shù)，因此車(chē)架在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下是安全可靠的。

圖3 轉(zhuǎn)彎

3.4.3 工況3

車(chē)架滿載扭轉(zhuǎn)工況，汽車(chē)的左前輪和右后輪各抬高0.15m。此工況下，車(chē)架承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，該工況車(chē)架的靜態(tài)安全因子值如圖4 所示，從圖中可以看出，縱梁的最小靜態(tài)安全因子為0.444，小于材料的安全系數(shù)，因此車(chē)架在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下是不可靠的。

圖4 扭轉(zhuǎn)

3.4.4 工況4

車(chē)架滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)，受制動(dòng)減速度對(duì)車(chē)架的影響。該工況車(chē)架的靜態(tài)安全因子值如圖4 所示，從圖中可以看出，縱梁的最小靜態(tài)安全因子為1.091，大于材料的安全系數(shù)，因此車(chē)架在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下是安全可靠的。

圖5 制動(dòng)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上4 種工況的車(chē)架的應(yīng)力分析，得到了相應(yīng)工況下的車(chē)架靜態(tài)安全因子。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在垂向沖擊、轉(zhuǎn) 彎和制動(dòng)工況下，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求和使用要求；扭轉(zhuǎn)工況下不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求和使用要求。建議增加橫梁剛度，減小縱梁在扭轉(zhuǎn)工況下的變形。采用同樣的方法還可以對(duì)汽車(chē)車(chē)架在其他工況下進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。