汽車車架的有限元分析及優化設計研究

彭永子

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汽車車架的有限元分析及優化設計研究

彭永子

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

隨著經濟社會的快速發展，汽車的使用越來越普遍化，但是汽車車架作為汽車總成的一部分,承受著來自道路和裝載的各種復雜載荷作用，并且汽車上許多重要總成件都是以汽車車架為載體。因此車架的強度和剛度在汽車總體設計中起到了非常重要的作用。本文主要針對有限元設計方法以及優化設計類型進行介紹，并通過對汽車車架在行駛運載中的不同工況下（滿載彎曲工況、滿載扭轉工況、滿載緊急轉彎工況、滿載緊急制動工況）的理論分析，并提出對車架結構參數的可以優化修改的建議。本文的研究工作對車架的設計、改造和優化等方面具有重要的參考價值和指導意義。

汽車車架；有限元分析；優化設計

前言

汽車車架作為汽車的承重載體，它不僅承受來自貨物、動力系統、傳動系統的載重，而且也承受汽車各方面的各種力矩的工作狀態。為了保證汽車車架滿足結構強度和工作性能又能使汽車車架達到輕量化設計的目的。對此作者采用有限元模型的建立，對汽車的不同工況下的行駛狀態，對汽車車架進行有限元分析，分析結構強度的滿足狀態。這樣就解決了由于工況的復雜性而不能僅僅利用應力的分析計算進行優化，而需要更加科學有效的設計方法。

汽車車架結構可以簡化為由一組梁單元組成的框架結構，以梁單元的截面特性來反映車架的實際結構特性模擬車架縱、橫梁的連接狀況。

1 有限元方法

有限元主要是把連續的結構分解成多個單元組或單元，利用對這些單元的分析結果應用展開到對整體結構性能的分析。對于現在的方法主要是在計算機中實現有限元的分析。有限元分析有如下特點：

（1）有限元分析方法適用于各種的工程結構，本文所分析的汽車車架的形狀不受約束，并且CAD的形狀不會影響有限元模型的建立。

（2）在利用有限元分析時，汽車車架的單元材料屬性可以按照實物的實際情況來確定，也不需要考慮格結構之間的影響。

（3）在有限元分析時，可以根據汽車車架的實際載荷情況和約束情況下，研究汽車車架不同行駛工況下的各種性能，提高效率和準確性，發現載荷與約束力之間的相互關系。汽車車架有限元分析的步驟如下：

將汽車車架的三維實物圖的結構離散化，再將其分解成更多小單元，找出一汽車車架的事務的各個部分一致的單元進行匹配，最后來確定單元的大小、數量以及布置情況；為了確定結構的位移，需要取有限元模型中的任意單元進行分析；在進行有限元模擬計算時，要對個單元的載荷向量和剛度矩陣進行推導，最后得到如下等式：

[K]｛｝=｛｝

[K]為整體結構的總剛度矩陣，｛｝為整體結構位移，｛｝為作用在整體結構上的有限元結點得的外力。

2 優化設計的類型

按照設計的變量類型不同可以將對模型的優化分為截面尺寸優化、形狀優化、碩撲優化以及結構類型和材料的優化。

（1）截面尺寸優化

在優化設計過程中，對結構的尺寸參數，例如車架的截面尺寸、厚度等作為設計的變量。

（2）形狀優化

在優化設計過程中，通過改變結構的內外邊界的形狀來改善汽車車架的結構性能以及達到節省材料的目的。

（3）拓撲優化

在優化工程中，拓撲優化主要在構件間的相互聯系進行分析，例如對結構內有無空隙、以及空洞的數量等，再通過保證結構的性能的前提下，對其優化，使其某種性能達到最優值。

3 汽車車架的工況分析

汽車車架的材料一般會選用鋼材或其他塑性材料，而所選用車架材料的失效形式以材料發生塑性變形為標志，因此在對汽車車架的靜態強度校核根據第四強度理論。公式如下：

強度條件表示為：

σ≤[]

[]為許用應力。

在汽車行駛過程中，汽車車架承受多方面的載荷受力，汽車車架的受力主要分為彎曲載荷、扭轉載荷、橫向載荷以及縱向載荷等。其中彎曲載荷主要是由車身、車載設備等的質量在重力作用下產生，彎曲工況下汽車四輪均著地；扭轉載荷產生于路面不平度對車身造成的非對稱支承；橫向載荷主要是由汽車轉向時的離心力作用而產生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動時的慣性力的作用而產生的。

（1）滿載彎曲工況

汽車在滿載行駛過程中，車輪與地面完全接觸車架承受滿載時的靜載荷，并且汽車處于平衡狀態，計算汽車車架縱梁截面的最大彎曲應力。

根據有限元分析軟件對滿載平衡狀態下的車架有限元模型進行分析計算，得到汽車在滿載彎曲工況的最大變形為6.34mm發生在后段汽車車架的右后方位置，最大彎曲應力為174MPa，分析汽車車架的縱向約束力以及橫縱約束力都符合要求。

（2）滿載扭轉工況

汽車在滿載扭轉工況的行駛過程中，地面的凹凸不平給使汽車在行駛過程中會受到扭轉載荷的作用，對汽車產生非對稱支撐，對車架有扭矩作用。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為5.41mm，同時縱梁的最大應力達到了157MPa，應力強度滿足材料屈服極限290-385MPa。

（3）滿載緊急轉彎工況

汽車滿載緊急轉彎工況中，由于汽車的轉彎，產生了側向的離心力。離心加速度由汽車轉速和轉彎半徑決定，同理在轉彎的時候必然會有減速的過程，所以還有減速加速度。離心力的大小還受到車載質量的影響。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為8.43mm，同時縱梁的最大應力達到了189MPa，應力強度滿足材料屈服極限290-385MPa。

（4）滿載緊急制動工況

汽車車架在滿載緊急制動工況行駛過程中，由于行駛工況的改變，車輛會加速或者減速，并且滿載汽車的質量相對比較大，故而產生的慣性力也會偏大，同時慣性力還和汽車的加速度有關。汽車的慣性力使車架將承受和行駛方向相反的縱向載荷的作用。慣性力會對車架產生相應的應力與位移的變化。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為5.03mm，同時縱梁的最大應力達到了245MPa，應力強度滿足材料屈服極限290-385MPa。

4 汽車車架的優化設計

根據上述過程中對汽車車架的分析，本文對汽車車架改進方面提出以下建議：

（1）采用綜合力學性能好的材料，即彈性模量大，密度小的材料，質量輕，或采用高強鋼；

（2）對汽車車架的尺寸、形狀進行優化改變。

（3）在保證車架剛度和強度的前提下，對車架進行輕量化，避免車架過重使車架疲勞壽命縮短，使車輛的燃油經濟性變好，減少運營成本；

（4）車架的連接方式采用鉚釘。鉚釘連接抵抗塑性變形的能力較強，連接性能較好，構造簡單；

（5）在車架前端增加一根橫梁。這樣能夠使車架結構更加穩固，更能夠抵抗車架的變形。

5 總結與展望

本文針對汽車車架在載荷運輸過程中所出現的不良現象，利用有限元分析軟件建立汽車車架結構的有限元仿真模型，對車架結構的應力分布進行計算，分析出車架的問題所在，并通過現有條件對車架的結構設計和成形工藝進行優化設計，為汽車車架結構的優化設計和工藝改造提供了理論參考和技術支撐。

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Study on finite element analysis and optimization design of automobile frame

Peng Yongzi

( Chang'an University Automobile School, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the rapid development of economy and society, the use of automobile is more and more common. However, as a part of automobile assembly, automobile frame bears various complicated loads from road and loading, and many important components of automobile are carried by automobile frame. Therefore, the strength and stiffness of the frame play a very important role in the overall design of the vehicle. This paper focuses on the finite element method to design and optimize design introduces the types, and through to the chassis frame in driving vehicle under different working conditions (full load working condition of bending and torsion condition, carrying emergency condition, carrying emer -gency braking conditions turn) is analyzed, and puts forward the frame structure parameters can be optimized modification Suggestions. The research work in this paper has important reference value and guiding significance to the design, transformation and optimization of the frame.

Automobile frame; finite element analysis; optimization design

A

1671-7988(2018)22-49-03

U462

A

1671-7988(2018)22-49-03

U462

彭永子（1991-），男，湖北省天門人，學生，碩士，單位：長安大學汽車學院，研究方向：車輛CAE技術。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.016