某商用車車架CAE與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比分析

何代澄

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122）

某商用車車架CAE與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比分析

何代澄

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122）

文章建立了某商用車車架的有限元模型，并將CAE與臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，經(jīng)修正后的車架CAE模型，能有效的模擬車架在扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)中的位移、剛度、應(yīng)力等，且誤差在可接受的范圍內(nèi)。

車架；有限元分析；臺(tái)架試驗(yàn)；對(duì)比分析

CLC NO.:TP202Document Code:BArticle ID:1671-7988 (2017)02-146-02

引言

車架是汽車的承載基體，不僅承載發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和貨物的質(zhì)量，而且還承受汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。車架的強(qiáng)度性能不僅關(guān)系到整車的使用性能，而且還影響到汽車的行駛性能。對(duì)于車架的要求是在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件下，盡可能達(dá)到質(zhì)量輕、應(yīng)力分布均勻。

隨著計(jì)算力學(xué)的不斷發(fā)展及高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得對(duì)車架進(jìn)行準(zhǔn)確的強(qiáng)度、剛度分析成為可能。目前用有限元方法（CAE）可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出車架整體及各部位在不同使用工況下的應(yīng)力狀況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性[1-3]。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，它可以減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4,5]。但為了提高CAE分析的準(zhǔn)確性，需要將CAE仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，修正CAE分析模型。

因此，本文主要是基于某商用車車架CAE與臺(tái)架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的對(duì)比分析，確定CAE與車架臺(tái)架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的差異，進(jìn)而修正車架CAE模型，為提高車架CAE分析的精度提供一定的參考依據(jù)。

1、分析方法

1.1 有限元分析

本文建立的某商用車車架有限元模型，如圖1所示。其中，鈑金件用四邊形單元離散，基本單元尺寸為10mm；鑄件用四面體單元離散，基本單元尺寸為1-5mm。前懸架約束12345自由度；后懸架約束23自由度，同時(shí)在前懸架處施加繞X軸的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)載荷。

圖1 某商用車車架有限元分析模型

1.2 臺(tái)架試驗(yàn)

本文搭建的某商用車車架扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)工裝和車架實(shí)物，如圖2所示。將位移傳感器安裝在樣品14個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，測(cè)試點(diǎn)為重點(diǎn)關(guān)注變形的區(qū)域，在規(guī)定的扭轉(zhuǎn)角度下，測(cè)量相應(yīng)的位移值，并計(jì)算車架扭轉(zhuǎn)剛度。將應(yīng)變花安裝在車架的13個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，測(cè)試點(diǎn)根據(jù)CAE分析，選擇應(yīng)力梯度均勻、容易貼片和重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，在規(guī)定的扭轉(zhuǎn)角度下，測(cè)量相應(yīng)的應(yīng)變值，從而計(jì)算出應(yīng)力值。

圖2 某商用車車架扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)

2、結(jié)果及分析

2.1 位移分析

圖3為CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°位移測(cè)試點(diǎn)布置圖，共14個(gè)點(diǎn)，均為對(duì)稱布置，測(cè)試點(diǎn)統(tǒng)一在車架下翼面，且距離下翼面外邊緣距離相等。圖4為CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°位移結(jié)果，可以看出，CAE結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較接近，除了6L和6R外（約束位置），其最大誤差率為13%（出現(xiàn)在3L點(diǎn)）。

圖3 CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°位移測(cè)試點(diǎn)布置圖

圖4 CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°位移

2.2 剛度分析

車架的扭轉(zhuǎn)剛度指使汽車軸距長(zhǎng)度內(nèi)的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)單位角度所需的扭矩，或者為扭矩與軸距長(zhǎng)度內(nèi)的轉(zhuǎn)角之比。從商用車整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，車架前后部分的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)稍大，而中間部分的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)稍小。駕駛室后圍以前的這一段車架的扭轉(zhuǎn)剛度稍大，有益于發(fā)動(dòng)機(jī)及駕駛室的懸置。從駕駛室后圍到懸架之間的這一段車架的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)稍小，以起到緩沖作用，避免載荷集中，減小車架和懸架系統(tǒng)的載荷，并改善汽車在不同路面上的接地性[6]。

本文選取施加扭矩處計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度，圖5為扭矩-扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線。可以看出，CAE結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。經(jīng)計(jì)算，CAE的扭轉(zhuǎn)剛度為1603 N.m/°，試驗(yàn)的扭轉(zhuǎn)剛度為1601 N.m/°，誤差較小。

圖5 扭矩-扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線

2.3 應(yīng)力分析

本文采用電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，即在車架上粘貼應(yīng)變片來(lái)測(cè)量表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式，確定車架表面的應(yīng)力值。將試驗(yàn)中計(jì)算出的車架粘貼區(qū)域的Von Mises應(yīng)力，與CAE分析模型中輸出的對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。圖6為CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°應(yīng)變花測(cè)試點(diǎn)布置圖，共13個(gè)點(diǎn)。圖7為CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°應(yīng)力結(jié)果，可以看出，CAE結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較接近，誤差率大部分在30%以內(nèi)。

圖6 CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°應(yīng)變花測(cè)試點(diǎn)布置圖

圖7 CAE和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)+5°應(yīng)力

3、結(jié)論

修正后的CAE模型能有效的模擬車架在臺(tái)架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的位移、剛度、應(yīng)力等，且誤差在可接受的范圍內(nèi)，為提高車架CAE分析的精度提供了一定的參考依據(jù)。

[1]林程, 陳思忠, 吳志成. 重型半掛車車架有限元分析[J]. 車輛與動(dòng)力技術(shù), 2004, 25(4)：23-27.

[2]朱軼. 半掛牽引車車架有限元分析[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2009.

[3]王錄山, 王國(guó)權(quán), 張紅松, 等. 重載自卸車車架強(qiáng)度的有限元分析[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 25(2)：58-64.

[4]何代澄. 轉(zhuǎn)向油罐支架頻率響應(yīng)及疲勞壽命計(jì)算分析[C]. 第11屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集, 2015.

[5]周傳月, 鄭紅霞, 羅慧強(qiáng). MSC.Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實(shí)例[M].北京： 科學(xué)出版社, 2005.

[6]孫艷鵬. 載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化[D]. 重慶交通大學(xué), 2008.

The comparative analysis of the CAE and bench test for a commercial vehicle frame

He Daicheng
( Technical Center, SAIC-IVECO HONGYAN Commercial Vehicle CO., Ltd, Chongqing 401122 )

In this paper, a finite element model of commercial vehicle frame is created. And the finite element method was compared with the bench test. The results show that modified frame CAE model can effectively simulate frame torsion bench test, including displacement, stiffness, stress, etc. And the error is in an acceptable range.

Frame; Finite Element Analysis; Bench Test; Comparative Analysis

TP202

B

1671-7988(2017)02-146-02

何代澄(1988-)，男，碩士研究生，工程師，就職于上汽依維柯紅巖商用車有限公司。主要從事汽車強(qiáng)度、疲勞分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.050