陳德發(fā)，羅慶元

（廣州汽車集團(tuán)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(dòng)機(jī)、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(shí)承受著系統(tǒng)總成、貨箱產(chǎn)生的重力、沖擊力及車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證車架的剛度和強(qiáng)度[1]。

文章研究的輕量化中置軸轎運(yùn)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(bǔ)充斷面參數(shù)為240mm×68mm×4.5mm 的L 型輕量化加強(qiáng)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(yùn)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(jìn)行分析計(jì)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(jì)人員可判斷輕量化車架是否滿足整車剛度及強(qiáng)度性能要求，并以此為依據(jù)對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

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(yùn)車車架模型的建立[2-3]。車架模型應(yīng)統(tǒng)一按整車坐標(biāo)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(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格處理，其中，單元尺寸的大小直接決定計(jì)算結(jié)果的精度，設(shè)置過大則精度較差，過小又影響計(jì)算速度[4]。對(duì)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(jī)支座等鑄件和鍛造件根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置三維網(wǎng)格大小，為了保證運(yùn)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)車車架強(qiáng)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(gè)方向設(shè)置不同的位移量。

車架主要受駕駛室、水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(qiáng)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(yùn)車車架強(qiáng)度分析

中置軸轎運(yùn)車主要行駛在高速、一級(jí)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(dòng)和扭轉(zhuǎn)等惡劣工況，文章主要根據(jù)此四種工況對(duì)中置軸轎運(yùn)車車架進(jìn)行強(qiáng)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(diǎn)，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(yùn)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(diǎn)，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(dòng)工況

車架在緊急制動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)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(yùn)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(diǎn)，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(qiáng)度分析計(jì)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(duì)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(qiáng)度分析計(jì)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(dòng)和扭轉(zhuǎn)工況下，車架縱梁、橫梁和連接板的強(qiáng)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(yùn)車車架滿足整車的強(qiáng)度性能要求。