基于ABAQUS的后副車架結構分析及優化

容家坤

(柳州孔輝汽車科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

伴隨著汽車行業的高速發展以及企業之間競爭壓力的加劇，CAD與CAE在汽車零部件設計開發中的應用越來越普遍。現代汽車開發設計流程一般是由動力學和總布置分析來獲取硬點、零部件包絡及載荷等設計輸入，然后根據設計輸入等資料,通過UG三維軟件設計三維模型,再利用CAE有限元分析來評判設計的可行性。將計算機仿真和結構設計有效地結合在一起，極大縮短了開發周期。

本文作者以某車型后副車架開發作為實例，對所設計的副車架結構模型進行CAE計算機仿真分析，并結合分析結果，對結構模型進行優化，使得設計結構滿足技術要求。

1 后副車架簡介

后副車架是底盤懸架中不可缺少的零部件，支撐著所有簧載質量，懸架通過副車架與車身相連，車輛行駛過程中所產生的各種力和力矩以及產生的各種振動均通過副車架緩沖再傳遞到車身，降低了振動。因此，副車架的強度、剛度、模態、疲勞極限等對車輛整體的操縱穩定性及安全性起到至關重要的作用，提升了乘車舒適性、底盤強度和操控穩定性，同時也提高了裝配便利性及設計通用性。

按照副車架本身工藝特性區分，有沖壓焊接和液壓成型焊接兩種。文中介紹的后副車架兩種工藝特性均存在。該副車架由兩根液壓成型的縱梁和兩根沖壓成型的橫梁以及一些附屬支架通過焊接構成，如圖1所示。

圖1 后副車架結構

2 副車架幾何模型的建立

2.1 網格劃分

用UG將副車架模型轉換成STP格式，導入到HyperMesh中進行網格劃分。副車架本體的網格采用殼單元，四邊形為主，三角形為輔；焊縫采用殼單元四邊形。整個網格模型的單元尺寸是5 mm，單元數為46 624，結點數為45 648，模型見圖2。

圖2 副車架的有限元模型

2.2 材料與屬性

副車架前、后套筒材料采用Q345B，厚度為3.0 mm；擺臂前點支架材料采用QSTE380，厚度為3.5 mm；上擺臂支架、后橫梁、前橫梁加強板和擺臂后點支架材料均采用SAPH440，厚度為3.0 mm；縱梁和前橫梁材料采用SAPH440，厚度為2.5 mm。

按照結構設計輸入，CAE分析定義材料參數：密度為7.8×10-9t/mm；泊松比為0.3；彈性模量為2.1×105MPa；長度單位為mm。

2.3 分析類型及分析軟件

CAE分析在副車架結構優化中發揮著重要作用。通過有限元分析，準確判斷結構改進的變化趨勢，進一步指明結構優化方向。文中主要涉及副車架的剛度分析、強度分析。

強度分析、剛度分析均采用非線性分析軟件Abaqus。

3 概念結構有限元分析及結果

3.1 剛度分析結果

副車架概念結構的剛度分析結果如表1所示,其中下擺臂內前點支架、下擺臂內后點支架(左)(即安裝襯套的軸向方向)剛度均未達到目標值。

表1 概念結構后副車架剛度分析結果 N·mm-1

3.2 強度分析結果

概念結構的強度分析結果如表2所示，其中，工況一和工況二的應力值不符合目標值，具體應力云圖見圖3。

表2 概念結構后副車架強度計算結果 MPa

圖3 概念結構應力云圖

4 優化設計

4.1 剛度優化

如圖4(a)所示，2個支架X方向剛度不足是由于支架的根部在X方向支撐力度不夠。在產品設計過程中，通常有3種途徑提高剛度：(1)局部添加加強筋或者加大截面積；(2)增加焊縫；(3)優化結構或者增加加強板。在此副車架結構中，由于裝配空間、質量的局限，而且支架已經采用滿焊，在設計優化時最終選擇修改支架結構，即增加支架的翻邊長度來加強在X方向的支撐強度，如圖4(b)所示。

圖4 剛度優化對比

優化后的副車架結構通過CAE分析，原剛度不合格的均滿足設計要求，詳見表3。

表3 優化結構后副車架剛度分析結果 N·mm-1

4.2 強度優化

通過分析不合格工況的應力云圖,應力集中位置主要在以下3個區域:

(1)縱梁的定位孔區域。概念模型中定位孔平面與縱梁銜接落差較大，可優化該銜接面，使其過渡更加平滑；

(2)前橫梁與縱梁焊接區域。在過深坑工況中，副車架產生變形，在變形過程中,不斷地拉壓焊縫,使得焊縫區域的強度不足,可在此區域周邊加上加強板,使其有足夠的抗彎能力；

(3)下擺臂內后點支架。在副車架變形過程中，后點支架同時受到-Y和-Z兩個方向的力作用。在優化此支架時,可增加支架斜面的長度和適當調整斜面與Y軸的夾角；在支架尾部端頭切邊,增加圓角尺寸,使其過渡較為平滑，同時增加翻邊結構，提高支架強度。優化結構如圖5所示。

圖5 強度設計優化對比

優化后的結構模型通過CAE分析，原先強度不合格的均滿足設計要求，詳見表4。

表4 優化結構后副車架強度分析結果 MPa

5 結論

根據優化后的分析結果，副車架強度和剛度基本上滿足要求。同時在后期經過30萬次臺架試驗，以及各種工況的路試試驗，副車架結構均未出現斷裂和變形，進一步說明副車架強度和剛度滿足設計要求。

在現代汽車快速發展的時代，副車架的結構往往變動最大、也是最頻繁的，CAD和CAE的結合很大程度上縮短了產品開發周期，同時，向工程師進行結構優化分析提供了一個大致方向，為后期產品的試驗驗證提供依據。