基于CAE的鋁合金車架設計問題研究

王新愿，周金霞

（安徽三聯學院，安徽 合肥 230601）

CAE指的是工程設計中的計算機輔助工程，其全稱為Computer Aided Engineering，是指利用計算機輔助求解來對復雜產品與工程的彈塑性、三維多體接觸、熱傳導、動力響應、屈曲穩定性、剛度與結構強度等結構力學性能進行分析，以及對復雜產品與工程的結構性能進行優化等[1]。通過CAE可以對生產的各個環節進行有機的組織，其關鍵就是對有關的信息通過計算機進行集成，使其產生并最終存在于產品的完整生命周期。而CAE軟件可以對靜態結構與動態結構進行分析，分析電磁、流體與固體結構，以及研究非線性與線性問題等。CAE從六十年代初期開始應用在工程上，至今已經有五十多年的發展歷史，其理論和算法已經日漸成熟，現已成為土木結構、機械、航天、航空等領域不可或缺的計算數值的工具，同時也是對連續力學等各類問題進行分析的一種重要手段[2]。而鋁合金材料具有非常顯著的優點，鋁合金的比強度高、力學性能好，而且鋁合金的密度僅為2.7×103kg/m3，具有良好的抗腐蝕性能、導熱性能與機械加工性能。同時鋁是可再生金屬，回收性很高。因此，鋁合金在車架上的應用范圍非常廣泛，現已成為很多車型車架的首選材料。因此鋁合金車架很多都是基于CAE來進行設計，但這些基于CAE設計的鋁合金車架在設計上也有很多問題存在。

1 整體架構問題

基于CAE設計的鋁合金車架在整體架構上存在一定問題。基于CAE設計的鋁合金車架通常使用具有強力抗腐蝕性、高強度以及可焊性等優點的T651或T6狀態的6061工業鋁型材作為該鋁合金車架的材料，采用的驅動布置形式是發動機后置后橋，采用的驅動形式是軸數為2，3×2的驅動形式，采用鋼板彈簧懸架作為該鋁合金車架的前后懸架。

基于CAE設計的鋁合金車架的整體架構通常采用邊梁式車架結構，該結構是由若干橫梁與兩根位于兩邊的縱梁所組成。這種架構有著突出的優點，即整體由橫梁與縱梁支撐起來，車架結構比較穩固，然而這種鋁合金車架的架構設計也存在著一些問題，例如這種車架整體剛度與強度同其他硬性金屬材料相比存在不足，特別是對該車架處于最大彎曲工況，即該車架所有車輪都處于同一水平面上的靜態滿載狀態以及處于最大扭曲工況，即該車架的一橋右輪為懸空狀態而其余車輪則同時處于同一水平面上的狀態對該車架進行撓度與強度的校核，可以發現該鋁合金車架的最大彎曲工況為惡劣工況，該車架最大應力峰值與硬性金屬材料組成的車架相比峰值仍然不高，無法完全防止應力集中問題。另外基于CAE設計的鋁合金車架整體架構雖然穩固，然而抗震性能有所不足，在經過抗震性能的實驗后可以發現該鋁合金車架的抗震性能比較適用于小型車輛，應用在大型車輛上時明顯抗震性能不足。

2 性能問題

基于CAE設計的鋁合金車架使用的是傳統車架強度校核法，即只考慮垂直載荷問題，而對幾乎與彎矩同量級的、由儲氣筒、電瓶與油箱造成的轉矩問題不加考慮，將整個梯型鋁合金車架直接簡化為兩根不相干的縱梁，利用簡支梁公式來對車架的撓度與應力進行計算。顯然這種設計與實際工況并不十分相符。因此在進行性能方面的試驗之后暴露出了該鋁合金車架存在的性能問題。一方面是在該鋁合金車架處于靜態滿載狀態時，可以發現該車架靜撓度超標。另一方面是在行駛過程中很容易出現早期開裂的問題。這主要是由于該車架主縱梁的腹板與翼板比不夠恰當，導致該鋁合金車架相比國外同噸級車架的縱梁截面抗彎強度明顯偏小。車架的剛度設計欠佳，因此出現了靜撓度超標的現象。另外該車架的內襯加強梁的布置也不夠妥當。

眾多支架的交匯容易造成局部剛度發生變化，又由于支架較多，致應力比較集中，因此內襯加強梁的前端容易延伸到危險區后端，這就等于在原本的危險區上又加了一個縱梁整體剛度跳躍。

3 部件問題

鋁型材為了增強局部強度并滿足部件連接要求，可以加工成各種各樣極其復雜的截面形狀，并且鋁合金的材料可塑性很強，然而鋁型材應用于支架結構時很容易在例的沖撞下發生變形現象。基于CAE設計的鋁合金車架最主要的起承載作用的部件就是橫梁和縱梁，其主要參數和形狀則如圖1和圖2所示。

二者的截面形狀都是箱型截面，為了使穿過縱梁底部的支承橫梁配合與縱梁下端兩側邊緣的復雜形狀截面的間接焊接，需在中間使用件三角鋁板等配件。然而該鋁合金車架的板簧懸架無法直接在縱梁壁上安裝，因此需要為其設計一對前后安裝支座。前后支座分別固定于與縱梁連接的四根相對應的橫梁上，并且每對前后支座均由鋼板彈簧來進行相互連接，支座的固定與定位需要利用專門的鋁制套筒來進行，將鋁制套筒直接在橫梁上進行焊接。這就增加了該車架的自重并間接增加了許多零部件的裝配工作。

圖2 縱梁主要參數和形狀圖

4 結語

基于CAE設計的鋁合金車架既有顯著的優勢同時也存在著很多需要調整的問題。對這些問題進行總結可以促進基于CAE設計的鋁合金車架在設計方面的進步與整體性能的進步。