扭力梁安裝支座強度分析

摘要：采用CAE分析方法，可以幫助工程設(shè)計人員對汽車零部件進行強度分析，從而對設(shè)計進行前期工程優(yōu)化與改進。針對某車型扭力梁安裝支座開裂問題，在理論分析的基礎(chǔ)上，基于Altair Hyperworks軟件，給出了一系列的解決方案。最終，將其最大應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)，解決了工程實際問題，縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了成本。

關(guān)鍵詞：扭力梁安裝支座；強度分析；汽車

中圖分類號：U463.33+2文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0019-04

Strength Analysis of Torsion Beam Bracket

FANG Chi， WANG Yan， HOU Lu

（Dongfeng Automobile Co.， Ltd. Commercial Product RD Institute， Wuhan 430057，China）

Abstract: Useing CAE analysis method， engineers can easily make strength analysis about automotive components， and make related engineering optimization and improvement. In this paper， the author will give some solutions on the torsion beam bracket. Finally，a good stress result will be achieved. It is solved practical engineering problems， shortened the development cycle and saved the cost.

Key words: torsion beam bracket；strength analysis；vehicle

汽車結(jié)構(gòu)強度是保證汽車安全性、可靠性、耐久性的重要指標，因此汽車結(jié)構(gòu)強度分析也是 CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面之一。通過強度分析可以得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布情況，通過這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠，結(jié)構(gòu)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中，哪些部位強度不夠，以便對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。本文將從 CAE 仿真應(yīng)用角度結(jié)合理論分析和工程實踐，給出解決扭力梁安裝支座強度失效問題的方案。

1 有限元模型的建立

在非獨立后懸架系列中，目前沒有發(fā)現(xiàn)比扭力梁式后懸架性能更優(yōu)秀的懸架［1］。雪鐵龍、大眾和日本的不少轎車的后懸架采用這種結(jié)構(gòu)，東風(fēng)汽車股份有限公司開發(fā)的某車型中也是采用此結(jié)構(gòu)。該車型在整車耐久性試驗過程中，扭力梁安裝支座處的車身出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，針對此問題，設(shè)計師新設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)的扭力梁安裝支座，希望通過有限元分析，選取最優(yōu)方案，并能解決問題。

以扭力梁安裝支座為分析對象時，為反映扭力梁安裝支座與車身連接具有一定的柔性，避免應(yīng)力集中，同時考察扭力梁安裝支座附近的車身在極限工況下是否會出現(xiàn)強度失效問題，需將扭力梁安裝支座和其附近的車身作為一整體來分析。

扭力梁安裝支座和其附近車身三維CAD模型，采用HYPERMESH軟件建立有限元模型，方案1（沖壓件）、方案2（沖壓件）和車身采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，方案3（鑄件）采用體單元劃分網(wǎng)格，零件之間使用RBE2連接，有限元模型如圖1所示。

2 材料屬性

車身縱梁材料為H260YD+ZF，縱梁第四舷外支架材料為DC54D+ZF，后輪罩材料 為DC03，扭力梁安裝支座方案1、方案2及方案3材料分別為SAPH440和QT400-15［2］。材料屬性見表1。

3 強度分析工況和約束條件

懸架系統(tǒng)承受路面沖擊載荷的大小與車輛行駛加速度、路面狀況和載重量等因素有關(guān)［3］。本文主要分析三種極限工況下扭力梁安裝支座及其附近車身的強度。計算工況的確定：主要考察扭力梁安裝支座及其附近車身在汽車上跳3 g、轉(zhuǎn)向1 g和加速0.5 g時能否承受的工作載荷，相關(guān)的量值已通過多體動力學(xué)軟件計算得出，結(jié)果如表2所示。

從表2可以得出，上跳3 g和加速0.5 g時，扭力梁左右安裝點的載荷大小相等，所以只需從扭力梁左右安裝支座中選取一個進行校核即可，本文選取扭力梁右安裝支座；但在轉(zhuǎn)向1 g時，扭力梁左右安裝點的載荷不一樣，所以扭力梁左右安裝支座都需校核。將其反作用力作為輸入，施加到扭力梁安裝點處，車身前后兩端完全約束（見圖2）。

4 分析結(jié)果

系統(tǒng)模型經(jīng)調(diào)試無誤后，方可進行強度分析。模型求解完畢以后，使用后處理軟件HyperView 查看各零件的應(yīng)力大小，以及整個結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布等。車身右側(cè)和扭力梁右安裝支座0.5 g加速度工況下等效應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示，扭力梁左安裝支座轉(zhuǎn)向工況下等效應(yīng)力云圖如圖5所示。

方案1車身右側(cè)（轉(zhuǎn)向和加速工況）和方案3車身左右側(cè)（轉(zhuǎn)向和加速工況）的最大應(yīng)力發(fā)生在縱梁第四舷外支架且均超過材料DC54D+ZF屈服極限260 MPa；方案1扭力梁右安裝支座（轉(zhuǎn)向和加速工況）和方案2扭力梁左安裝支座（轉(zhuǎn)向工況）最大應(yīng)力均超過材料SAPH440屈服極限305 MPa。三種方案三種工況下最大應(yīng)力數(shù)值見表3，黑字體的應(yīng)力為超過材料屈服極限。

對比三種方案分析結(jié)果，方案2明顯優(yōu)于其他兩種方案，但方案2在轉(zhuǎn)向工況下，扭力梁安裝支座強度達不到要求，需要進一步改進其結(jié)構(gòu)。

5 建議方案

通過觀察方案2在轉(zhuǎn)向工況下應(yīng)力圖（見圖6），發(fā)現(xiàn)圖6所示區(qū)域受拉力，應(yīng)力較大，而且此處相對于其他部位較薄弱。為增強此處強度，建議在這增加一個直徑為20 mm、厚3 mm左右的套筒，套筒底部與縱梁相連（見圖7），并在套筒上下增加一個墊片，防止套筒將支座和縱梁割傷。將改進后有限元模型提交計算，得出表4結(jié)果。

表4 車身和扭力梁支座應(yīng)力值MPa

方案2改進方案車身三種工況下最大應(yīng)力均發(fā)生在縱梁上，且最大應(yīng)力均小于縱梁材料H260YD+ZF的屈服極限260 MPa，強度滿足要求；扭力梁支座三種工況下最大應(yīng)力均小于材料SAPH440的屈服極限305 MPa，強度滿足要求。

6 結(jié)束語

本文利用CAE技術(shù)，在較為精確建模的基礎(chǔ)上，模擬計算三種方案的扭力梁安裝支座結(jié)構(gòu)強度，對比三種方案分析結(jié)果，選擇最優(yōu)方案2，針對方案2個別工況強度不足問題，提出進一步的改進措施，并進行計算分析，直至強度滿足要求。此方案經(jīng)道路試驗，解決了開裂問題。相對于傳統(tǒng)設(shè)計，CAE技術(shù)的應(yīng)用為設(shè)計師的設(shè)計改進指明了方向，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了設(shè)計的可靠性。

參考文獻：

［1］ Hiroyuki Shimatani，Satoshi Murata，Kei Watanabe.Development of Torsion Beam Rear Suspension with ToeControl Links［J］.SAE 1999-01-0045.

［2］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［3］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.