基于HyperWorks的副車架強度及模態(tài)分析*

宛銀生 周偉 姜再友 袁世林 周磊

（安徽江淮汽車集團股份有限公司）

副車架是汽車底盤系統(tǒng)的重要部件，汽車上絕大多數(shù)部件和總成是通過副車架來固定其位置以保證汽車的正常行駛，并將路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力、側向力以及它們引起的力矩傳遞到車身上。副車架在一定程度上使車輛具有良好的乘坐舒適性和穩(wěn)定性，因此其可靠性強度直接關系到整車的安全性[1]。與國外的研究分析成果相比，我國的副車架設計尚處于起步階段,國內主機廠對副車架一般進行逆向研發(fā)，自主設計。文章主要在滿足整車安全性和舒適性的基礎上進行了副車架的強度和模態(tài)分析。達到了滿足整車性能的要求。

1 副車架的功能及數(shù)模設計

1.1 副車架的功能

副車架功能主要有兩方面：1）底盤的連接剛度在副車架的作用下得到提高；2）副車架能夠降低路面振動給整車帶來的影響，提高乘坐的舒適性[2]。所以副車架設計應滿足汽車具有良好的行駛平順性、減振性及操縱穩(wěn)定性，汽車制動和加速時減少車身縱傾的可能性，能可靠地傳遞車身與車輪間的一切力和力矩，零部件質量輕并有足夠的強度和壽命的要求。

1.2 數(shù)模設計

為了使某車型副車架具有更好的功能性、可靠性及良好的工藝性，對該轎車副車架進行設計初期分析。首先根據(jù)副車架所覆蓋的設計空間進行分析，由邊界條件和功能要求得到副車架部件的分布：副車架通過橡膠襯套與發(fā)動機、車身及控制臂連接，同時橫向穩(wěn)定桿、轉向管柱等也安裝在副車架上，由于副車架受到上述各種復雜載荷作用，所以對副車架結構強度有很高的要求；同時為了減輕整車質量，要求副車架質量盡可能小；另外為了提高汽車的行駛穩(wěn)定性，應盡量降低汽車質心高度[3]。副車架連接件數(shù)模圖，如圖1所示。

圖1 某車型副車架連接件數(shù)模圖

副車架數(shù)模是利用三維設計軟件CATIA建立的3D幾何模型，并根據(jù)整車動力總成安裝空間，以及布置輪胎等周邊件空間繪制。某車型副車架結構數(shù)模，如圖2所示；副車架零部件分解表，如表1所示。

圖2 某車型副車架結構數(shù)模設計圖

表1 某車型副車架零部件分解表

副車架質量設計目標是＜20 kg，經(jīng)測該車副車架實物質量為19.5 kg，滿足設計要求。

副車架設計初步完成后需要調整局部的結構和改變車架材料的厚度來改變初始結構，以期獲得更好的性能。因此必須考慮載荷、強度及剛度的狀況，同時考慮沖壓和焊接等生產(chǎn)制造工藝，在滿足這些要求的基礎上，對其進行結構設計，即在強度允許范圍內，減少車架材料的厚度，達到減輕副車架質量的目的[4]。

2 副車架CAE分析

2.1 副車架CAE強度分析

副車架屬于整車中的關鍵部件，如果由于強度不夠產(chǎn)生斷裂將直接影響整車可靠性和安全性。因此在設計副車架強度時，應當盡可能精確地確定作用在零件上的載荷及其方向與作用點。但是在設計中一方面很難確定載荷的全部要素；另一方面即使采用同一種材料做成的試件對不同的載荷、溫度及環(huán)境等條件所顯示的抵抗能力也會出現(xiàn)差異，所以計算的結果就不能準確地反映實際的承載能力。為此，在副車架設計中常做出各種假設，以便進行力學計算和強度分析。這種假設既要反映實際情況，又要便于計算，但一般都偏于保守，也有因考慮不周而失效的。所以對于副車架的設計必須要通過試驗和試用，證明該產(chǎn)品的設計是成功的。

2.1.1 載荷

強度計算中作用于副車架上的載荷分為靜載荷和動載荷。靜載荷的設計方法最簡單，至今仍廣為采用。受沖擊載荷時，零件的應力和應變值都顯著地增大。因此在常規(guī)設計中，經(jīng)常采用靜載荷乘以大于1的動載系數(shù)，然后仍沿用靜載荷方法進行計算。通常動載系數(shù)是由經(jīng)驗來確定。新設計的副車架，載荷一般是預先給定的。

2.1.2 靜強度

在車架設計中最基本的計算是靜強度計算。使用HyperWorks軟件對副車架的設計方案進行強度分析，驗證其使用性能。在HyperWorks環(huán)境下，使用3 mm的殼單元對設計方案進行有限元網(wǎng)格劃分，共得到176 596個網(wǎng)格，172 940個節(jié)點，建立副車架網(wǎng)格模型，確定邊界條件如下：對副車架連接車身的4個位置約束6個自由度，然后對下擺臂前后襯套中心點施加載荷。工況分別為：垂直 3.5 g，轉彎 1 g，制動 1 g，靜止啟動 1 g[5]。副車架靜強度應力分析結果,如圖3所示。

圖3 某車型副車架靜強度應力分析云圖

副車架在各工況下的最大應力表，如表2所示。

表2 某車型副車架各工況下最大應力表

通過HyperWorks軟件對副車架的設計方案進行強度分析，驗證其使用性能。從圖3和表2可以看出，副車架在制動1 g工況下的最大應力為347 MPa，小于熱軋鋼板QSTE420TM的屈服極限（420 MPa），說明CAE分析強度滿足設計要求。

2.2 副車架模態(tài)分析

副車架模態(tài)是指副車架在發(fā)動機激勵作用下隨時間的響應，模態(tài)分析方法一般采用n階自由度系統(tǒng)的運動方程。發(fā)動機的激勵（線性及扭轉）經(jīng)懸置傳到副車架，當接近固有頻率時，易產(chǎn)生共振。為了使副車架不與發(fā)動機產(chǎn)生共振，其前6階模態(tài)頻率必須與發(fā)動機產(chǎn)生的慣性激勵頻率隔開[6]。通過HyperWorks建立的副車架模態(tài)模型，如圖4所示。

圖4 某車型副車架模態(tài)分析圖

通過對圖4分析，得到副車架模態(tài)結果統(tǒng)計表，如表3所示。由表3可以看出，副車架各階模態(tài)分析結果均能滿足設計目標要求，大大降低了副車架、懸置及發(fā)動機產(chǎn)生共振的風險，解決了由此類原因導致的振動噪聲問題，保證了駕駛員與乘客的舒適性。

表3 某車型副車架靜模態(tài)分析統(tǒng)計表

3 結論

為了確保副車架能滿足整車性能要求，并保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，文章利用CATIA軟件設計出副車架數(shù)模，并確保副車架質量滿足設計要求，同時應用HyperWorks軟件對副車架強度和模態(tài)進行了分析，分析結果顯示副車架強度和模態(tài)均滿足設計要求。因此該副車架的設計在考慮車輛操穩(wěn)性和乘坐舒適性的基礎上，提高了副車架的性能，縮短了開發(fā)周期，滿足了設計目標要求。