基于有限元分析及應力電測試驗的某商用車車架優化設計

文楚

【摘 要】商用車工況復雜且惡劣，車架作為其重要的承重載體，車架的可靠性尤為重要。傳統的設計方法過于依賴經驗，設計的車架通常都比較笨重，因此車架結構性能的優化直接關系到整車設計的成敗。輕量化設計為當今汽車發展的趨勢，設計師在實現汽車輕量化設計的同時，如何保證其可靠性是輕量化設計的難點。有限元分析和應力電測試驗等手段能較好地解決這一問題。

【關鍵詞】有限元分析；應力電測實驗；輕量化

【中圖分類號】U463.32 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）01-0028-05

隨著汽車工藝的迅猛發展，汽油、柴油和天然氣等能源大量消耗，節能減排是大勢所趨，而汽車輕量化設計能有效降低產品的油耗，實現節能減排。本文主要介紹了如何有效地使用有限元分析及應力電測試驗等手段，在保證產品可靠性的同時，設計出更合理、更輕量化的產品的過程。

1 有限元分析

汽車是由成千上萬個零部件有機組合而成的，構造復雜。若想準確分析其內部零件的受力情況，極其困難，而有限元分析能把需要處理的復雜的連續單元或方程簡化成有限個簡單的離散單元或方程，通過對這些有限個簡化后的單元和方程進行分析計算，求出最終的解，這個解不是原方程的準確解，是一個近似的解，但這個解正是工程設計所需要的。本文通過對實車進行三維建模，利用有限元軟件對三維模型進行簡化處理，建立CAE模型如圖1所示。

根據實車行駛情況，模擬計算了彎曲重載工況、普通制動工況、緊急制動工況、普通轉向工況、緊急轉向工況、前扭工況和后扭工況。車架本體應力最大的工況為后扭工況，其受力結果如圖2所示。

2 結構優化

上述有限元分析結果表明，大側板前端強度富余，鞍座底板及內加強板利用率較低，可進行優化設計，主要設計變更如圖3所示。

同樣，利用有限元分析軟件對優化后的車架進行簡化處理，建立有限元模型，模擬計算了彎曲重載工況、普通制動工況、緊急制動工況、普通轉向工況、緊急轉向工況、前扭工況、后扭工況和卸載工況，其有限元模型和分析結果分別如圖4、圖5所示。

優化后車架的重量較優化前降低了222.9 kg，但由于鞍座高度降低了40 mm，優化后車架本體并未出現應力集中區域。應力較大的區域為鞍座底板，采用高強度鋼板即可解決該問題。根據有限元分析結果，分別提取優化前和優化后的車架本體分析數據，并進行對比，對比結果見表1。

表1中的數據表明，優化后車架結構強度優于優化前。但由于有限元模型的局限性，其應力數值不能作為證明車架可靠的依據，只能作為判斷車架應力分布趨勢的依據。為進一步驗證其改善效果，需對實車進行應力電測試驗。

3 應力電測試驗

應力電測試驗的原理是將應變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應變一起伸縮，而金屬在機械性地伸長或縮短時，其電阻值會隨之變化，通過測量應變片的電阻值的變化即可得到應力的變化情況。

針對有限元分析高應力區域和售后反饋失效區域，對優化后車架進行應力電測試驗布點，共測試了20個位置，具體測點位置如圖6所示。

本次應力電測試驗進行了靜態測試和動態測試，靜態測試主要進行了重載彎曲工況和卸載工況的測試，未發現高應力危險測點，與CAE分析應力分布趨勢基本一致，其測試波形、測試數據和與有限元分析對比結果如表2、圖7、圖8所示。

動態測試在試驗場內進行，車速為10～40 km/h，測試路況及行車路線、數據波形圖如圖9、圖10所示。

在工程應用中，通常都采用疲勞分析理論對采集到的動態應力數據進行處理、分析。如圖11所示，材料的極限應力曲線為A 'G 'C，材料中發生的應力如果處于OA 'G 'C區域以內，則表示未發生破壞，如果在此區域以外，則表示一定發生了破壞，如果正好處于折線上，則表示工作應力狀況正好達到極限狀態。

根據以上疲勞分析理論，將采集到的動態電測試驗數據進行綜合統計分析。由于缺少脈動循環變應力的疲勞極限，我們保守地直接將其材料對稱循環的疲勞極限和屈服極限連成一條線，分析結果如圖12所示。

從圖12可以看到，所有路況動態應力數據均在極限應力曲線范圍內，材料不會發生破壞，車架的強度能滿足安全使用要求。

4 結語

上述產品經優化后，單個產品重量降低了約223 kg、材料成本降低了約1 340元、油耗費用降低了約5 340元/年，且售后反饋車架未出現故障。可見，通過本文論述的設計方法所設計的產品可靠性較好，且設計效率較高，具有一定的實用價值。

參 考 文 獻

[1]孫啟會，閔鵬.有限元法在汽車車架分析中的應用[J].重型汽車，2001（5）：20-21.

[2]周國新.車輛車架的強度分析[J].機械工程與自動化，2005（10）：82-83.

[3]蒲良貴，紀名剛.機械設計[M].第7版.北京：高等教育出版社，2001.

[責任編輯：鐘聲賢]