某款SUV車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度性能分析

喻忠

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某款SUV車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度性能分析

喻忠

（江鈴控股有限公司，江西 南昌 330052）

以某SUV車架為例，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，利用Hypermesh軟件建立了車架的力學(xué)模型。對(duì)車架的約束和所受載荷進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)車架強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析計(jì)算，可以找到車架的薄弱部位，為以后設(shè)計(jì)和優(yōu)化車架提供了一定的參考。

車架；強(qiáng)度；剛度；有限元

前言

汽車車架是發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和車身各總成的安裝基礎(chǔ)，是汽車的關(guān)鍵承載部件。因此，車架設(shè)計(jì)在汽車總體設(shè)計(jì)中非常重要。車架要有足夠的強(qiáng)度，以提高車輛的行駛安全可靠性，同時(shí)要求車架有一定的剛度，以使在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置在汽車行駛過(guò)程中保持不變并使車身的變形最小。本文通過(guò)對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度性能分析，為以后車架設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

本文運(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)某SUV底盤車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。

1 有限元模型

參考汽車底盤，考慮到車身安裝和其它總成的布置，將概念設(shè)計(jì)階段的車架大致結(jié)構(gòu)擬定如下：選用邊梁式梯形車架結(jié)構(gòu)，由2根左右分開(kāi)的縱梁和9根橫梁組成，全長(zhǎng)4.31m，寬1.12m，軸距2.76m。各梁的大致形狀如圖1所示。縱梁采用箱型斷面，厚度3mm。建立有限元模型是有限元分析的重要的環(huán)節(jié)，模型建立的好壞對(duì)結(jié)果有很大的影響，模型的建立要遵循以下原則：忽略對(duì)整體力學(xué)性能的影響較小的幾何細(xì)節(jié)，如半徑5mm以下的孔洞、過(guò)渡圓角或倒角以及2mm以下的搭接邊上的凸臺(tái)等，而對(duì)力學(xué)性能影響較大的加強(qiáng)筋則予以保留，縱梁和橫梁為剛性連接。

本文采用板殼單元模型，共有54206個(gè)節(jié)點(diǎn)，54041個(gè)單元。有限元模型計(jì)算所使用的材料為SAPH440，材料參數(shù)為：密度7.8×103kg/m3；彈性模量210GPa；泊松比0.3。

圖1 某SUV車架的有限元

2 車架靜態(tài)強(qiáng)度工況分析

汽車在行駛過(guò)程中，主要有3種常見(jiàn)的工況，即車架彎曲（直線行駛）、車架扭轉(zhuǎn)（一輪懸空）和制動(dòng)，其懸架機(jī)構(gòu)以及車輪的約束與加載處理如下。

2.1 彎曲工況的約束與加載

彎曲工況下，4個(gè)車輪的約束為：左前輪約束6個(gè)自由度，右前輪、左后輪和右后輪均約束Y方向的平動(dòng)自由度。查閱相關(guān)資料，該車型的允許總質(zhì)量2510kg，相當(dāng)于24598N。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況約束與加載

限制左前輪6個(gè)方向的自由度，左后輪、右后輪Y方向的平動(dòng)自由度，同時(shí)釋放右前輪所有的自由度即右前輪懸空。載荷同彎曲工況。

2.3 制動(dòng)工況約束與加載

當(dāng)車輛行駛時(shí)遇到緊急情況，要進(jìn)行制動(dòng)，取最大附著系數(shù)為0.7，則最大制動(dòng)加速度為α=-0.7g。制動(dòng)時(shí)，考慮前后輪不抱死情形。此時(shí)4個(gè)輪都不會(huì)離地，則4個(gè)輪都要在Z、Y方向上約束。車輪的約束方式是：限制右前輪6個(gè)方向的自由度，限制左前輪、左后輪、右后輪Y、Z方向的自由度。我們可以由車輛質(zhì)量計(jì)算出所受的慣性載荷，F(xiàn)=mα=17218N。

圖2

圖2a、圖2b、圖2c、圖2d分別為彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況和制動(dòng)工況中的車架合成應(yīng)力圖。最大應(yīng)力均發(fā)生在前上、下擺臂和車架連接處，彎曲工況бmin=281MPa，由于前懸上、下擺臂的安裝支點(diǎn)均在車架截面減小部分，因此彎曲時(shí)車架中部和兩頭在縱向面內(nèi)向下彎曲。扭轉(zhuǎn)工況бmax=224MPa。受載最嚴(yán)重。由于制動(dòng)工況取前后輪同時(shí)不抱死的情形，受載最輕，бmin=166MPa。SAPH440號(hào)鋼的屈服極限為305 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 車架的剛度性能分析

車架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過(guò)大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，通過(guò)性變壞。

3.1 按工況進(jìn)行約束和施加載荷

在分析車架彎曲剛度的時(shí)候，需要將車架上與前懸和后懸連接處點(diǎn)的y，z兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束，然后在車架縱梁中間處施加一個(gè)對(duì)稱垂直載荷，大小為1000N。

在分析車架扭轉(zhuǎn)剛度的時(shí)候，車架需要加的載荷是反對(duì)稱載荷，并且其約束也和彎曲剛度不同。可以在車架的兩端的三個(gè)點(diǎn)約束住所有自由度，在車架安裝擺臂中間處施加載荷，大小為1000N。

本文利用MSC公司的Nastran求解器對(duì)該車架有限元模型進(jìn)行彎曲剛度求解。得到圖3a 車架各部分在彎曲工況下的位移數(shù)值曲線圖。彎曲剛度為2024.29N/mm。

同彎曲剛度求解。得到圖3b車架各部分的扭轉(zhuǎn)工況下的位移數(shù)值曲線圖。扭轉(zhuǎn)剛度為79659Nm/rad。

圖3

4 結(jié)論

本文對(duì)所需要分析的車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，并且對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)分析單元類型，進(jìn)行單元選擇，利用Hypermesh建立車架的力學(xué)模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分形成有限元計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)車架的約束和所受載荷進(jìn)行一定處理，對(duì)車架靜強(qiáng)度及剛度進(jìn)行分析計(jì)算，利用有限元法準(zhǔn)確地分析車架在靜態(tài)載荷下的應(yīng)力分布狀況和變形狀況，方便找出薄弱環(huán)節(jié)，為車架設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

[1] 譚繼錦.汽車有限元法[M],北京:人民交通出版社,2005.

[2] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[3] 汽車工程手冊(cè)設(shè)計(jì)篇, [M],北京:人民交通出版社,2001.

[4] 李西亞,李成剛,胡于進(jìn).車架有限元分析技術(shù)發(fā)展綜述[J].專用汽車,2001,（1）:13~15.

Analysis of structural strength and stiffness performance of an SUV frame

Yu Zhong

( Jiangling Holdings Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330052 )

Taking an SUV frame as an example, the structural characteristics of the frame are analyzed, and the mechanical model of the frame is established by using Hypermesh software. By analyzing and calculating the strength and stiffness of the frame, the weak parts of the frame can be found, which provides a certain reference for the future design and optimiza -tion of the frame.

frame; Strength; Stiffness; Finite element

B

1671-7988(2018)22-206-02

U463.32

B

1671-7988(2018)22-206-02

U463.32

喻忠（1976-），男，江西南昌，汽車工程師。研究方向：汽車底盤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.073