基于HyperWorks 的某輕量化中置軸轎運車車架強度仿真分析

陳德發(fā)，羅慶元

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

車架是汽車的重要主體，發(fā)動機、駕駛室和橋等系統(tǒng)總成通過支架直接或間接裝配在車架上，組成一輛完整的車，同時承受著系統(tǒng)總成、貨箱產(chǎn)生的重力、沖擊力及車輛運動時產(chǎn)生的反作用力。車架就是車輛的骨架，影響整車的可靠性和承載能力。車架輕量化設(shè)計時，應(yīng)當保證車架的剛度和強度[1]。

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架是一種常見的邊梁式結(jié)構(gòu)車架，主要由2 根槽型縱梁和若干橫梁通過螺栓、鉚釘連接在一起。其中，車架縱梁采用單層結(jié)構(gòu)，斷面參數(shù)為270mm×75mm×6mm，在受力大的位置補充斷面參數(shù)為240mm×68mm×4.5mm 的L 型輕量化加強板。橫梁采用5mm的槽型梁，連接板采用6mm 的L 型或C 型結(jié)構(gòu)。車架結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

文章以HyperMesh 為前處理工具，將中置軸轎運車車架分解為二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格結(jié)合的有限元分析模型，利用OptiStruct 求解器進行分析計算，在后處理工具HyperView 中讀取分析結(jié)果。

通過分析車架的剛度、模態(tài)及各工況下車架的應(yīng)力值，設(shè)計人員可判斷輕量化車架是否滿足整車剛度及強度性能要求，并以此為依據(jù)對車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化升級。

圖1 車架結(jié)構(gòu)圖

1 車架有限元模型建立

1.1 模型建立

HyperMesh 軟件中處理結(jié)構(gòu)變化的操作比較復(fù)雜，應(yīng)在CATIA 等幾何處理軟件中完成中置軸轎運車車架模型的建立[2-3]。車架模型應(yīng)統(tǒng)一按整車坐標系建立，零部件的結(jié)構(gòu)、位置應(yīng)與圖紙一致，與車架連接的系統(tǒng)支架裝配在車架模型上，零部件之間不允許存在干涉情況。

1.2 車架網(wǎng)格劃分

車架幾何模型完善后，轉(zhuǎn)換成stp 格式導(dǎo)入HyperMesh中，并根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)特點進行網(wǎng)格處理，其中，單元尺寸的大小直接決定計算結(jié)果的精度，設(shè)置過大則精度較差，過小又影響計算速度[4]。對于車架本體的鈑金件，一般按8mm ～10mm 劃分二維網(wǎng)格，其他系統(tǒng)支架按5mm ～8mm 劃分二維網(wǎng)格，圓角處的網(wǎng)格可根據(jù)R角的大小相應(yīng)調(diào)整，取R角的1/2。板簧支座、懸置支座、平衡懸掛支座和方向機支座等鑄件和鍛造件根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點設(shè)置三維網(wǎng)格大小，為了保證運算結(jié)果和效率，厚度均勻的零件按厚度的1/2 ～1/4 取整后進行劃分，厚度不均勻的零件一般按4mm ～6mm 劃分鑄件的三維網(wǎng)格[5]。

1.3 連接模擬

商用車車架的縱梁、加強板、橫梁和連接板零部件主要通過螺栓、鉚釘和焊接組裝在一起。螺栓和鉚釘連接可用RBE22 和CBAR 代替；油箱與支架、貨箱與車架之間存在較大的接觸面，可用CGAP 單元代替；板簧可用CBEAM 單元代替，前、后橋簡化為BEAM 梁單元。

1.4 邊界約束及載荷施加

中置軸轎運車車架強度仿真分析中，邊界約束主要建立在輪心上，并根據(jù)不同的工況在X、Y、Z 三個方向設(shè)置不同的位移量。

車架主要受駕駛室、水箱、發(fā)動機、變速箱、電瓶、油箱和貨物等產(chǎn)生的重力及不同工況下產(chǎn)生的作用力的影響。車架強度仿真分析中，根據(jù)不同的工況設(shè)置不同的加載參數(shù)。車架有限元模型如圖2 所示。

2 中置軸轎運車車架強度分析

中置軸轎運車主要行駛在高速、一級公路及城市道路上，使用過程中常遇到靜態(tài)彎曲、緊急轉(zhuǎn)向、緊急制動和扭轉(zhuǎn)等惡劣工況，文章主要根據(jù)此四種工況對中置軸轎運車車架進行強度分析。

2.1 靜態(tài)彎曲工況

車架在靜態(tài)彎曲工況下，施加2.5 倍的重力，并加載在各部件的質(zhì)心上。約束所有輪心節(jié)點，自由度設(shè)置如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

2.2 緊急轉(zhuǎn)向工況

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架，主要考慮右緊急轉(zhuǎn)向工況，在左前輪心處施加1 倍重力，方向由左向右。約束所有輪心節(jié)點，右側(cè)所有輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；左側(cè)輪心自由度：DOF1=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況如圖4 所示。

2.3 緊急制動工況

車架在緊急制動工況下，施加1 倍的重力，加載在前橋輪心上。約束所有輪心節(jié)點，后輪輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；其他輪心自由度如下：DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況如圖5 所示。

圖3 靜態(tài)彎曲工況下的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況

圖5 緊急制動工況下的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況

2.4 扭轉(zhuǎn)工況

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架，主要考慮左后輪扭轉(zhuǎn)工況。車架在扭轉(zhuǎn)工況下，施加1 倍的重力，加載在各部件的質(zhì)心上。約束所有輪心節(jié)點，左后輪輪心自由度如下：DOF1=DOF2=0mm，DOF3=200mm；其他輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應(yīng)力值應(yīng)力分布情況如圖6 所示。

3 結(jié)論

車架強度分析計算完成后，需要將車架零部件的應(yīng)力值與材料性能參數(shù)做對比。車架零部件的常見材料性能參數(shù)如表1 所示。

表1 車架常用材料性能參數(shù)

根據(jù)車架強度分析計算結(jié)果，各工況下車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的應(yīng)力值及安全系數(shù)如表2 所示。

表2 各工況下車架應(yīng)力及安全系數(shù)

從表中可知，車架在靜態(tài)彎曲、緊急轉(zhuǎn)向、緊急制動和扭轉(zhuǎn)工況下，車架縱梁、橫梁和連接板的強度滿足要求，安全系數(shù)大于2，證明文章所研究的輕量化中置軸轎運車車架滿足整車的強度性能要求。