越野汽車車架的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱光耀

摘要：本研究對(duì)象選擇高機(jī)動(dòng)型越野車，車架結(jié)構(gòu)和車操控、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等性能息息相關(guān)。越野車行駛承受載荷也復(fù)雜，可導(dǎo)致車架扭轉(zhuǎn)、彎曲以及變形等，剛度不足的區(qū)域可能出現(xiàn)裂紋。利用靜態(tài)分析法，并使用慣性釋放法，對(duì)于車架強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，將約束點(diǎn)反力應(yīng)力以及變形問題產(chǎn)生的影響有效消除，保證該數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)性。

關(guān)鍵詞：越野車;車架;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0033-02

0? 引言

我國的汽車技術(shù)資源相對(duì)匱乏，并且產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，汽車生產(chǎn)之后，主要利用試驗(yàn)方式對(duì)于設(shè)計(jì)問題展開檢驗(yàn)，不但耗時(shí)耗力，而且可靠性不高，存在較高風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，有限元軟件的應(yīng)用，能夠?qū)τ谄?、零件等展開分析，建立計(jì)算模型，通過模態(tài)分析掌握車架動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。在振動(dòng)理論不斷發(fā)展過程中，越野車制造商高度關(guān)注動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試對(duì)于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。在越野車行駛過程，可受到動(dòng)荷載，并且在時(shí)間不斷推移之后，當(dāng)外界的激勵(lì)頻率和某一零件或者整車的固有頻率高度吻合，極易產(chǎn)生共振問題，致使車身材料出現(xiàn)疲勞失效這一問題。借助靜力學(xué)以及動(dòng)態(tài)特征展開仿真分析，結(jié)合分析結(jié)果，能夠?yàn)樵揭败嚨慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化以及整車性能的提升奠定良好基礎(chǔ)。

1? 有限元分析介紹

所謂有限元分析，主要是借助數(shù)學(xué)近似法，模擬幾何圖形以及荷載工況，并通過有限元單元對(duì)于真實(shí)系統(tǒng)展開分析，通過有限量探究未知量，甚至無限量。簡(jiǎn)單來講，有限元分析的過程也是化繁為簡(jiǎn)的過程，使用大量簡(jiǎn)單函數(shù)替換復(fù)雜的函數(shù)模型。流程為先建模，之后將結(jié)構(gòu)離散化，對(duì)單元以及整體展開分析。

2? 越野車車架的有限元分析

2.1 模態(tài)分析? 在高機(jī)動(dòng)型越野車結(jié)構(gòu)中，車架屬于其承載系統(tǒng)，對(duì)于其展開模態(tài)分析，有助于研究人員了解車架振動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而判斷其是否和整車需求相符，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)、布局等缺陷，導(dǎo)致車身產(chǎn)生共振問題。對(duì)車架展開有限元分析，能夠?yàn)槠湓O(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。按照模態(tài)分析這一理論，車架結(jié)構(gòu)自振的頻率和其結(jié)構(gòu)阻尼矩陣以及外力等不相關(guān)，故此，分析越野車的車架模態(tài)時(shí)，無須將荷載問題考慮其中，將荷載以及約束條件去除[1]。

車架自由模態(tài)、約束模態(tài)二者之間存在高度相似性。分析其約束模態(tài)之時(shí)，需要將約束保留下來，但是在分析自由模態(tài)時(shí)，可使用其固有頻率為頻率分析標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，下文使用自由模態(tài)的方式進(jìn)行分析。由于車架系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以將其固有頻率以及振型求出。結(jié)合模態(tài)分析理論，能夠知曉車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征，判斷出其與地接振型存在關(guān)聯(lián)。越野車的車身懸掛存在較大剛度，對(duì)于分析產(chǎn)生影響可忽略。在自由模態(tài)相關(guān)分析時(shí)，可提取車架當(dāng)中6個(gè)振型，并對(duì)主振型展開描述：頻率為28.7Hz時(shí)，為一階扭轉(zhuǎn);頻率為28.9Hz時(shí)，為一階彎曲;頻率為44.3Hz時(shí)，為面內(nèi)一階橫擺;頻率為52.1Hz時(shí)，為二階扭轉(zhuǎn);頻率為58.9Hz時(shí)，為二階彎曲;頻率為65.1Hz時(shí)，為二階橫擺。

2.2 分析結(jié)果? 越野車行駛過程受到的外部激勵(lì)主要有不平路面、發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)諧等，因此，在展開車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證其固有頻率和外界的激勵(lì)頻率之間相避開，以免車架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振的問題，進(jìn)而防止車架的結(jié)構(gòu)受到損壞。經(jīng)過模態(tài)分析，按照結(jié)果能夠精準(zhǔn)識(shí)別出車架結(jié)構(gòu)問題，并加以優(yōu)化，將共振問題解決，保證車輛的行駛安全。

分析模態(tài)分析的結(jié)果，并將環(huán)境的激勵(lì)頻率考慮其中，結(jié)果如下：第一，路面條件通常能夠決定路面激勵(lì)。在高等公路以及高速公路路面，激勵(lì)頻率的變化范圍在1～3Hz，因此，能夠?qū)τ诘皖l振動(dòng)產(chǎn)生較大影響。下文研究的越野車車架產(chǎn)生的低階頻率高于路面存在的激勵(lì)頻率，因此，能夠滿足要求。第二，車架結(jié)構(gòu)存在的固有模態(tài)，其頻率不處于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率之內(nèi)。結(jié)合公式F=n/60×M展開頻率計(jì)算，公式當(dāng)中M代表發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)1/2，n代表發(fā)動(dòng)機(jī)怠速實(shí)際轉(zhuǎn)速。選取4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速650r/min，經(jīng)計(jì)算，頻率結(jié)果等于21.6Hz，也就是怠速對(duì)于車架產(chǎn)生的激勵(lì)頻率是21.6Hz，對(duì)比于一階扭轉(zhuǎn)28.7Hz這一頻率值，相對(duì)較低，因此，能夠滿足要求[2]。第三，車架的非簧載質(zhì)量固有頻率處于6～15Hz，由于本研究中確認(rèn)第一階扭轉(zhuǎn)的頻率值為28.7Hz，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車架固有頻率，因此設(shè)計(jì)滿足要求。第四，保證車架的振型保持光滑，以免產(chǎn)生突變。經(jīng)過上述分析，能夠確認(rèn)，該車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將外界激勵(lì)頻率區(qū)間有效避開，因此，動(dòng)態(tài)性能良好。在車架模態(tài)分析過程，將靜態(tài)分析的局限性有效克服，為整車舒適性以及平順性等提供支持，并結(jié)合整車實(shí)際振動(dòng)情況，完成車架優(yōu)化及改進(jìn)。

3? 有限元分析下越野車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 備胎支架方面? 對(duì)于越野車的車架結(jié)構(gòu)展開分析，選擇其備胎支架當(dāng)作研究對(duì)象，并完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。汲取拓?fù)洹⒔Y(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以達(dá)到減重之效果。拓?fù)鋬?yōu)化也可視為OptiStruct結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，重點(diǎn)包括外形、尺寸、拓?fù)湟约靶螤畹葍?nèi)容。在拓?fù)鋬?yōu)化的材料利用方面，可利用密度法，借助有限元模型，將各個(gè)空間單元視為設(shè)計(jì)變量，也稱單元密度，此參數(shù)和結(jié)構(gòu)材料相關(guān)，主要是從0～1之間選取連續(xù)的數(shù)值，經(jīng)優(yōu)化和求解以后，如果密度單元和1這個(gè)數(shù)值較為接近，或者等于1，則代表此單元位置材料十分重要，應(yīng)該保留;如果單元密度數(shù)值和0接近，或者等于0，則代表此位置材料并不重要，能夠去除，這樣可保證該對(duì)于材料充分利用，完成輕量化設(shè)計(jì)[3]。

針對(duì)本文研究的越野車加的備胎支架展開拓?fù)鋬?yōu)化，主要是在鈑金件位置尋找最優(yōu)的加強(qiáng)肋形狀、位置等，在保持材料數(shù)量不改變的前提之下，將應(yīng)力集中這一現(xiàn)象消除，與此同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)減重效果。選擇質(zhì)量35kg的備胎簡(jiǎn)化模型作為質(zhì)量點(diǎn)，目的是將設(shè)計(jì)的空間體積保持在最低值[4]。選取空間單元作為設(shè)計(jì)變量，保持最大的應(yīng)力約束達(dá)到235MPa，要求備胎支架產(chǎn)生的變形在5mm之內(nèi)。在制動(dòng)的工況之下，施加慣性荷載，X向?yàn)?1g，Z向?yàn)?1g;在轉(zhuǎn)向工況之下，施加慣性荷載，Y向?yàn)?g，Z向?yàn)?1g;在垂直工況之下，施加慣性荷載，Z向?yàn)?.5g。設(shè)定參數(shù)之后，并利用密度法，以單元密度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)于備胎支架結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，保持優(yōu)化密度>0.5。圖1為備胎支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)? 按照拓?fù)涞膬?yōu)化結(jié)果分析，背門固定面、備胎支架等所屬非設(shè)計(jì)面，而備胎支架的側(cè)面屬于設(shè)計(jì)面。結(jié)合輕量化的設(shè)計(jì)，可使用兩種優(yōu)化方案，并且融合制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂直沖擊三種工況分別設(shè)計(jì)。

3.2.1 方案一? 結(jié)合上文的分析結(jié)果，可使用增加減重區(qū)、減重孔等方式，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方案如表1所示。

對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之后，處理設(shè)計(jì)面，能夠?qū)崿F(xiàn)減重約43%。然而支架的最高應(yīng)力和材料的屈服極限十分接近，特別是處于垂直工況時(shí)，支架承受的最高應(yīng)力值高大235MPa，由此判斷支架存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，還需展開持續(xù)優(yōu)化。

3.2.2 方案二? 結(jié)合在方案一中的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在本優(yōu)化方案當(dāng)中，按照拓?fù)湫蚊病⒔Y(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，處于減重設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，可將減重孔面積增加，并且將沖壓筋面增加，將支架實(shí)際受到的最大應(yīng)力加以改善。使用上述設(shè)計(jì)之后，優(yōu)化結(jié)果信息如表2所示。

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果? 結(jié)合上述優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，無論是使用方案一，還是使用方案二，都能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體要求相符。但是，設(shè)計(jì)過程，還需將部件的局部安全系數(shù)這一因素考慮其中。對(duì)比而言，兩種方案中，方案二更加精細(xì)化，成本相對(duì)較高，但是其應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)更高，因此，可選擇方案二作為最終的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)比于最初的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)減重約38%。通過上述內(nèi)容對(duì)于車架的備胎支架展開拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過兩輪的試驗(yàn)分析，最終可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)目的。

4? 結(jié)束語

總之本研究對(duì)于某越野車的車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析，此車架的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等良好，可滿足空間的布置要求，整車越野性能優(yōu)越。研究過程，針對(duì)車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對(duì)于模型展開網(wǎng)格劃分，保證有限元的計(jì)算精準(zhǔn)。在分析車架剛度、強(qiáng)度等方面，借助慣性釋放這一方法，選取車架6種典型的工況，并施加力矩，獲得變形分布圖，對(duì)于車架強(qiáng)度有效驗(yàn)證。并對(duì)于車架的模態(tài)展開分析，提取6個(gè)振型之下的模態(tài)結(jié)果，經(jīng)過校核之后，對(duì)于車架動(dòng)態(tài)特性展開驗(yàn)證，并為其舒適性的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向。在拓?fù)鋬?yōu)化方面，選擇備胎支架作為研究對(duì)象，結(jié)合有限元分析結(jié)果，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證越野車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及輕量化等前提之下，實(shí)現(xiàn)減重38%。

參考文獻(xiàn)：

[1]程思遠(yuǎn).基于有限元分析的汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車世界，2019（16）：75-76.

[2]彭永子.汽車車架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（22）：49-51.

[3]葛晗，陳鴻飛.多軸汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].百科論壇電子雜志，2018（09）：270.

[4]劉巧珍，花豪.裝載機(jī)前車架有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2019（09）：68-69.