鋁合金車架性能分析

邊宏喆，沈亞超，李曜成，呂洪昌，周丹桐

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

針對(duì)鋁合金在車架輕量化應(yīng)用的研究，周友明等[5]將重卡車架主體縱梁、橫梁替換為鋁合金材料并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)CAE分析方法驗(yàn)算車架強(qiáng)度、剛度性能達(dá)到鋼制車架水平，輕量化方案可行。王璋等[6]在某越野車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中采用全新的鋁合金車架，用仿真分析手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，最終滿足強(qiáng)度、剛度和疲勞耐久性能開(kāi)發(fā)的目標(biāo)要求。張凱成等[7]運(yùn)用多學(xué)科優(yōu)化方法建立重型商用車車架優(yōu)化模型，并對(duì)4種典型工況下的車架同時(shí)進(jìn)行尺寸和材料的優(yōu)化，在保證可靠的強(qiáng)度和模態(tài)特性條件下，鋼鋁混合車架能夠有效減小5.6%的質(zhì)量。張德偉等[8]在電動(dòng)車車架鋁化設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)鋼制車架與鋁車架進(jìn)行剛度及模態(tài)對(duì)比分析，結(jié)果鋁車架與鋼車架的剛度相當(dāng)，一階頻率提升3Hz，車架減重比31.3%。

國(guó)內(nèi)各種用途的車輛在鋁合金輕量化方面已得到廣泛應(yīng)用，而重卡自卸車車架鋁化的研究鮮有報(bào)道。本研究以某重卡自卸車車架為研究對(duì)象，采用材料替換及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)一款鋁合金車架，并與原鋼制車架進(jìn)行剛度和模態(tài)對(duì)比分析，以期為自卸車車架輕量化設(shè)計(jì)和研究提供參考。

1 設(shè)計(jì)方案

車架輕量化設(shè)計(jì)一般通過(guò)材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面協(xié)調(diào)進(jìn)行。材料方面，在原鋼制車架基礎(chǔ)上，將縱梁、橫梁及連接板直接替換為高強(qiáng)度鋁合金，相關(guān)鋼質(zhì)鑄件保持不變，車架關(guān)鍵部件位置如圖1所示。相比鋼材，鋁合金材料的密度較小，輕量化效果顯著，但其彈性模量約為鋼材的1/3，導(dǎo)致車架剛度性能大幅下降。為了彌補(bǔ)鋁合金剛度不夠的缺陷，可通過(guò)在一定程度上加大材料厚度的方式提升車架的剛度，原鋼制車架和鋁合金車架材料厚度對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1 車架關(guān)鍵部件示意圖Fig.1 Schematic diagram of key components of frame

表1 鋼制車架和鋁合金車架材料厚度對(duì)比

材料替換后鋁合金車架仍需結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步改善車架的整體剛度性能?？v梁截面Z向尺寸對(duì)車架彎曲剛度影響顯著，在考慮裝配要求前提下，將縱梁截面Z向尺寸由192mm增加到200mm，相應(yīng)的縱梁寬度和厚度也有所增加，如圖2所示。

圖2 縱梁截面尺寸優(yōu)化方案Fig.2 Optimization scheme of longitudinal beam section size

原鋼制車架第四橫梁是鋼板沖壓件，其結(jié)構(gòu)斷面高低差較大且倒圓較小，鋁合金車架第四橫梁設(shè)計(jì)不可以直接套用鋼板[9]。解決方案是第四橫梁主體仍采用鋁合金板材，用折彎后的C型鋁型材焊接在橫梁背部代替起加強(qiáng)筋的工藝方法保證結(jié)構(gòu)的剛度，如圖3所示。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)托梁和第四橫梁之間段的縱梁下翼面增設(shè)加強(qiáng)板以提升車架中段的抗彎性能。最終設(shè)計(jì)方案鋁合金車架質(zhì)量為158kg，而原鋼制車架質(zhì)量為274kg，減輕了116kg，減重比42.3%。

圖3 第四橫梁及加強(qiáng)板設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of the fourth cross beam and reinforcing plate

2 有限元分析

2.1 模型建立

車架有限元模型建模及分析按照企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，車架縱梁、橫梁及連接板等長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度的零件采用殼單元，與車架縱梁螺栓連接的鑄件采用四面體或六面體單元，如懸架系統(tǒng)中的吊耳。模型裝配中的螺栓連接采用RBE2_BEAM_RBE2單元，焊接采用RBE2節(jié)點(diǎn)垂直對(duì)應(yīng)。

2.2 材料屬性

材料設(shè)置。原鋼制車架采用Q345B；鋁合金車架縱梁采用6082-T6鋁合金擠壓型材，橫梁及連接板采用5052-H32鋁合金板材，車架相關(guān)鑄件仍沿用鋼制車架。具體材料屬性見(jiàn)表2。

表2 材料屬性

2.3 工況介紹

根據(jù)車輛的實(shí)際使用情況進(jìn)行車架剛度和模態(tài)分析，其中車架剛度分析工況包括彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況兩種。

質(zhì)樸的話語(yǔ)道出了珠江航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級(jí)的軌跡。40年來(lái)，珠江黃金水道建設(shè)大踏步向前。截至目前，珠江水系航道通航里程達(dá)1.55萬(wàn)公里，2000噸級(jí)船舶可直達(dá)廣西南寧；全水系擁有生產(chǎn)性泊位2092個(gè)，港口年綜合通過(guò)能力6.03 億噸；內(nèi)河運(yùn)輸船舶15319艘，平均噸位超過(guò)1000噸……

(1)彎曲工況。車架的彎曲剛度是指車身受到豎直方向的作用力時(shí)產(chǎn)生的垂向位移與作用力的關(guān)系。車架彎曲剛度的有限元分析施加的邊界條件按照車架實(shí)際彎曲剛度的試驗(yàn)方法確定。

(2)扭轉(zhuǎn)工況。車身在行駛過(guò)程中遇到道路不平整時(shí)，車身受到路面沿Z向的一對(duì)反向?qū)ΨQ載荷時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，同樣根據(jù)實(shí)際的扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)確定車架扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析所施加的約束條件。

(3)模態(tài)。在分析結(jié)構(gòu)模態(tài)時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)是不受任何約束的，因而在設(shè)置車架邊界條件時(shí)，須確保系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)完全自由，不施加任何約束。約束及加載條件見(jiàn)表3。

表3 約束及加載信息

2.5 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算彎曲剛度時(shí)，可借鑒簡(jiǎn)支梁承受彎曲載荷時(shí)的分析方法，即利用垂向力與相應(yīng)位移的比值來(lái)計(jì)算。鋁合金車架彎曲剛度的計(jì)算公式為：

式中，Kb為彎曲剛度值；F為載荷施加大?。籞1、Z2為左右加載點(diǎn)的 Z 向位移的絕對(duì)值。

計(jì)算車架扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，可借鑒懸臂梁在承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)的分析方法，即利用引起梁扭轉(zhuǎn)的扭矩 M 與所引起的轉(zhuǎn)角θ的比值來(lái)計(jì)算，其公式為：

式中，Kt為扭轉(zhuǎn)剛度值；F為載荷施加大??；L為加載點(diǎn)間距，L=763mm；Z1、Z2為左右加載點(diǎn)的 Z 向位移的絕對(duì)值。

2.6 結(jié)果分析

2.6.1 彎曲剛度分析

彎曲剛度可用車架在垂直載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來(lái)表征。在彎曲試驗(yàn)工況下，加載合力為2000N，鋼制車架和鋁合金車架彎曲對(duì)比位移云圖如圖4所示。鋼制車架左右加載點(diǎn)的Z向位移絕對(duì)值的平均值為0.46mm，鋼制車架的彎曲剛度為4348N/mm。鋁合金車架左右加載點(diǎn)的Z向位移絕對(duì)值的平均值為0.54mm，鋁合金車架的彎曲剛度為3704N/mm。鋁合金車架彎曲剛度相比鋼制車架彎曲剛度降低14.8%，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

圖4 鋼制車架和鋁合金車架彎曲對(duì)比位移云圖Fig.4 Comparison of bending displacement cloud of steel frame and aluminum alloy frame

2.6.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

扭轉(zhuǎn)剛度可以用車架在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來(lái)表征。在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況下，加載力偶矩為763N·m，鋼制車架和鋁合金車架扭轉(zhuǎn)對(duì)比位移云圖如圖5所示。鋼制車架左右加載點(diǎn)的相對(duì)位移為3.223mm，扭轉(zhuǎn)角度為0.242°，鋼制車架的扭轉(zhuǎn)剛度為3153N·m/°。鋁合金車架左右加載點(diǎn)的相對(duì)位移為3.769mm，扭轉(zhuǎn)角度為0.283°，鋁合金車架的扭轉(zhuǎn)剛度為2696N·m/°。鋁合金車架扭轉(zhuǎn)剛度相比鋼制車架扭轉(zhuǎn)剛度降低14.5%，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

圖5 鋼制車架和鋁合金車架扭轉(zhuǎn)對(duì)比位移云圖Fig.5 Torsional contrast displacement cloud diagram of steel frame and aluminum alloy frame

2.6.3 模態(tài)分析

車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)車架振動(dòng)響應(yīng)影響較大的為一階彎扭頻率[10-12]。鋼制車架和鋁合金車架前三階模態(tài)振型分別為一階扭轉(zhuǎn)、一階橫向彎曲和一階豎向彎曲，振動(dòng)頻率見(jiàn)表4。

表4 鋼制車架和鋁合金車架固有頻率對(duì)比

鋁合金車架前三階模態(tài)頻率相比鋼制車架分別提升6.7%、7.9%和2.4%。

3 結(jié)論

采用有限元法對(duì)某重卡自卸車鋁合金車架及原鋼制車架進(jìn)行剛度、模態(tài)對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1)鋁合金車架相比鋼制車架彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別降低了14.8%和14.5%，車架剛度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

(2)鋁合金車架一階扭轉(zhuǎn)頻率、一階橫向彎曲頻率和一階豎向彎曲頻率比鋼制車架分別提升6.7%、7.9%和2.4%。

(3)鋁合金車架相比鋼制車架質(zhì)量減輕了116kg，減重比達(dá)到42.3%，車架減重效果顯著。