CAE技術在汽車車架設計中的應用

張丙鑫　尹麗　杜慧君

摘 要：在汽車的整體結構中，汽車車架扮演著重要的載體的角色，承載著多種不同的載荷，這直接影響著整個車輛未來的使用壽命以及用車的安全性。在對車輛進行設計的過程中，需要深入分析車架的整體強度。借助CAE軟件就汽車的車架零部件進行搭建，結合CAD的模型開展有限元的建模工作，同時對具體的工況進行了介紹分析，旨在為優化汽車的車架設計工作提供一定的參考。

關鍵詞：CAE技術 汽車車架 設計 應用

Application of CAE Technology in Automobile Frame Design

Zhang Bingxin Yin Li Du Huijun

Abstract：In the overall structure of the car， the car frame plays an important role in the carrier， bearing a variety of different loads， which directly affects the future service life of the whole vehicle and the safety of the car. In the process of vehicle design， it is necessary to analyze the overall strength of the frame. With the help of CAE software， the parts of automobile frame are built， and the finite element modeling is carried out with the CAD model. At the same time， the specific working conditions are introduced and analyzed， so as to provide certain reference for the optimization of automobile frame design.

Key words：CAE technology， automobile frame， design， application

1 引言

隨著社會的發展，汽車的數量逐漸提升，汽車的車架在汽車整體結構中承擔著重要角色，因此需要關注汽車車架設計的品質，這直接影響著汽車的使用壽命以及汽車行業未來的發展，因此相關的管理人員需要對其予以足夠的重視，保證汽車質量，為汽車行業的健康發展提供保障。

2 概述

從本質上來講，商務類型的用車指的是在技術以及設計特征上都符合人員與貨物運用特征的汽車，主要涵蓋著火車與客車兩種不同的類型。基于用途的差異，商務車有涵蓋著自卸車與牽引車兩類。在商用類型的火車系統中，車架始終扮演著重要的角色，對汽車起著支撐以及連接的作用，與此同時，車架也是對不同類型的車內外載荷進行承載的主要載體。所以，在對車架進行設計工作時，不僅需要對汽車整體的布置要求進行滿足，也需要表現出足夠數值的輕度以及剛性，為汽車體系能夠正常運轉奠定基礎。本文主要借助相關的軟件就商用類型貨車的牽引型車架展開力學分析，同時對車架自身的力學特點展開了了解，對汽車車架強度與標準要求是否相符進行了明確。

3 車架構成與分析方法

3.1 車架構成

牽引性質的車架的主體架構表現為邊梁式，涵蓋著兩根縱向的梁以及若干個不同的橫向的梁，縱向梁的斷面通常呈現出箱型的結構，第一橫梁表現為管狀的結構，橫梁的兩側和縱梁之間借助螺栓進行連接操作，中間的兩根橫梁分別是壓型的槽鋼，結構的兩側和縱梁之間借助螺栓進行連接，處于平衡軸位置的衡量主要是采用壓型的槽鋼結構，與縱梁的連接處借助加強版對其進行較強。平衡軸下面的連接座和縱梁的下翼這一平面借助螺栓進行連接，尾梁表現為整體的箱式結構，同時和縱梁借助鉚釘進行連接，在變速箱下方位置處的盆梁以及縱梁的下翼板借助螺栓進行連接，以上是商務類型用車的牽引車架的大致構成。

3.2 分析方法

近些年來，國內的信息科學技術發展速度空間，隨著制造行業的快速發展，CAE 技術逐漸發展成為制造與工程行業的后備技術之一，其能夠有效地對設計品質進行提升，同時控制研發與研究的成本，對開發產品的整體周期進行縮短，這為汽車行業未來的持續健康發展奠定了堅實基礎，也是提升駕駛人員幸福感的有效途徑。本文主要是借助有限元這一軟件展開研究與分析的工作。

4 有限元分析

汽車是運輸機械，在行駛工程中會受到來自各個方面的負荷作用。所以車架必須有足夠的強度和剛度承受這些載荷。為了對汽車的車架結構設計穩定性與可靠性展開分析，本文首先展開了模型創建工作，同時對分析的方法予以明確，結合具體的汽車所處狀態展開了深入的分析，從而明確汽車車架設計工作的品質，這對汽車使用品質起著至關重要的作用。

4.1 創建有限元模型

為了對汽車的車架進行有限元分析工作，首先就是需要對有限元的模型進行創建，首要步驟便是借助CAE軟件設計車架與其主要附件的三維結構，在對車架模型進行創建的過程中，需要對實車的結構特征予以表現，對車架的縱梁、衡量與承載性質的零件展開模型創建的工作。在進行模型創建工作的過程中，將車架與其附件所承載的質量成為質心，借助質心的位置展開模擬的工作，同時在原有的有限元模型基礎上進行了簡化操作，為后續的分析工作奠定基礎。除此之外，對于車架、輪胎與路面邊界等位置，往往是借助剛性的單元來對輪胎進行模型，對輪胎所受到的束縛性進行明確，鋼板的彈簧則是借助兩根剛性存在差異的彈簧單元開展模擬的工作，借助界面存在差異的梁單元開展連接的工作，促使不同的板塊逐漸形成一個完整的體系和系統。

4.2 對載荷與約束進行施加

汽車在日常行駛過程中，特別是遇到比較復雜的路況時，所承載的載荷往往是各種各樣的，別如側向位置的載荷與縱向位置的載荷等等。在不同性質的載荷作用之下，車架會出現扭轉變形、彎曲變形等不同形式的變形，所以，也就會在車架上形成側向與縱向的載荷，這是進行設計工作需要考量的因素。約束主要是指的是地面對車架所傳導的不同性質的力以及不同狀況下所產生的特定狀況的限制。在本文當中，主要是借助約束前后懸與車架的連接位置對車架本身形成一定的約束力。車架載荷分布方式如圖1所示。

4.3 工況選擇

在對靜載荷展開分析的過程中，主要是針對以下四種不同的工況，第一種工況是汽車處于滿載靜止的狀態中，第二種工況是汽車處于滿載的狀態中同時向右進行轉彎，合理明確側向的加速度，第三種工況是汽車處于扭轉狀態中，也就是滿載狀態，第四種工況是汽車處于滿載且靜止的狀態中，在其進行制動的過程中，汽車會受到制動減速度以及垂直方向加速度的限制。

4.4 分析結果

結合相關的軟件，本文對以上四種不同工況狀態下，汽車車架的靜態安全因子數值進行了計算，同時與材料自身的安全系數數值展開了比對，從而有效確定汽車車架在某種具體車況下是否處于安全可靠的狀態，具體如下：

當汽車處于第一種工況狀態時，汽車會受到來自垂直方向的沖擊，在不同類型的壓力作用之下，車架往往會發生不同程度的彎曲，因此靜態的安全因子數值也會出現一定的變化。分析可知，縱向梁的靜態安全因子最小值是1.007，比材料本身對應的安全系數數值要打，所以，在這種狀況下，車架受到垂直方向的沖擊時，其是安全并且可靠的，能夠為汽車的穩定運行提供保障。

當汽車處于第二種工況狀態時，也就是車架處于滿載的狀態同時需要進行轉彎的操作，此時需要對側向的加速度對車架結構自身受力所產生的影響作用進行考量，也需要考慮車架靜態安全因子數值的變化，由分析可知，縱向梁的靜態安全因子的最小數值是2.135，比材料本身的安全系數數值要大，因此當汽車處于轉彎狀態中時，整體的結構是安全并且可靠的。

當汽車處于第三種工況狀態時，汽車的左方前輪以及右后方的輪子都分別被抬升了0.15米。在這樣的工況狀態下，車架需要承載的扭轉性以及彎曲性的應力數值相對較大，那么此工況下車架自身的靜態安全因子數值會減少，由分析可知，縱向梁的靜態安全因子的最小值是0.444，比材料本身的安全系數數值要小，因此車架在處于扭轉的狀態中時，表現得不可靠。

當汽車處于第四種工況狀態時，需要對制動性的減速度對車架可能造成的影響進行考量，同時分析與之對應的靜態安全因子的數值，由分析可以看出，縱向梁的靜態安全因子的最小數值是1.091，比材料本身的安全系數要大，所以當汽車處于此種狀態時，也是安全并且可靠的。

5 結束語

近些年來，國內的經濟與社會發展速度空前，人們的生活品質不斷提升，這也促使汽車行業的發展，道路上行駛的汽車數量不斷增加，在這樣的背景下，汽車的使用壽命與安全性就變得至關重要。在汽車系統中，車架屬于主要的載體結構，因此相關的設計人員需要關注車架設計工作的合理性與有效性，借助相關的軟件對不同的工況展開深入分析，從而明確汽車車架在不同工況下是否處于安全狀態。CAE技術在汽車車架設計中的應用使得汽車的安全系數更加可靠和穩定。隨著CAE技術的不斷發展和完善，不久的將來汽車CAE技術將在形態、結構、功能等不同方面實現突破。彰顯了CAE 技術在汽車研發過程中的作用日益重要。

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