CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟麗 泰安航天特種車有限公司

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車的數(shù)量逐漸增多，車架在汽車的整體結(jié)構(gòu)中起著重要的作用。因此，必須重視車架的設(shè)計(jì)質(zhì)量，商用車是一種用于汽車運(yùn)送的車輛。它的性能直接影響到汽車的使用壽命和汽車工業(yè)的未來發(fā)展。其設(shè)計(jì)和技術(shù)特點(diǎn)分為貨車和客車。本文根據(jù)車輛的總體布置，利用有限元分析軟件對(duì)某商用牽引車車架進(jìn)行力學(xué)性能分析，了解車架的力學(xué)特性。檢查強(qiáng)度是否符合要求。

一、車架構(gòu)成及分析方法的確定

1.車架結(jié)構(gòu)。邊梁式是車架的主體結(jié)構(gòu)，組成是縱梁兩根橫梁若干。箱形結(jié)構(gòu)是縱梁斷面。第一梁采用管狀結(jié)構(gòu)，梁的兩端用螺栓固定在縱梁上；兩中間梁為支承截面梁，結(jié)構(gòu)兩端用螺栓固定在縱梁上。平衡軸上的梁為支承截面梁結(jié)構(gòu)，與縱梁連接處的加強(qiáng)板，平衡軸用螺栓固定在縱梁翼；尾梁為箱型結(jié)構(gòu)；變速箱下的盆梁用螺栓連接在縱梁下翼板。

2.確定分析方法的。目前，CAE技術(shù)已成為工程制造業(yè)的主要支撐技術(shù)，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研發(fā)成本起著重要作用；本文利用有限元分析軟件進(jìn)行分析研究。

二、有限元分析

車架作為整車的核心部分，承受著和傳遞著道路和裝載的各種復(fù)雜載荷，并且汽車上許多重要的總成都是以車架為載體的，因此車架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。本文進(jìn)行了建模工作，闡述了分析方法，并根據(jù)汽車的實(shí)際情況進(jìn)行了深入的分析，從而對(duì)確定汽車車架的設(shè)計(jì)質(zhì)量，起到一定的作用。

1.建立有限元模型。為了對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，首先要建立車架的有限元模型。利用CAE軟件對(duì)車架及其主要附件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模。它必須代表實(shí)際車輛的結(jié)構(gòu)特性，如梁部件的測(cè)量和受力特性，以底盤及其附件的質(zhì)量為重心，利用重心位置進(jìn)行模擬，在不影響分析結(jié)果精度的情況下，根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化車架模型，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和計(jì)算效率。為以后的分析工作奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于輪胎和車架路面邊界，通常采用剛性對(duì)輪胎進(jìn)行建模，以明確輪胎的受力束縛性，鋼板彈簧由兩個(gè)不同剛度的彈簧單元模擬，由不同界面的梁?jiǎn)卧B接，使不同的鋼板逐漸形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

2.施加載荷與約束。在日常行駛中，特別是在復(fù)雜的道路條件下，車輛荷載通常會(huì)發(fā)生變化，如在不同工況下（如滿載、扭轉(zhuǎn)、彎曲等工況），會(huì)出現(xiàn)側(cè)向與縱向荷載的變化，因此車架會(huì)形成側(cè)向與縱向荷載，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素之一是約束主要是指從地面?zhèn)鹘o車架的力的不同性質(zhì)，以及在不同條件下產(chǎn)生這些力的特殊條件。前后懸與車架的連接位置限制，對(duì)車架本身形成一定的約束力。

3.工況選擇。在選擇工況狀態(tài)時(shí)，靜載荷分析有四種不同的情況：一是車輛滿載靜止，二是車輛右轉(zhuǎn)或滿載靜止。第三工況是車輛處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，即滿載狀態(tài)；第四工況是車輛在滿載靜態(tài)制動(dòng)過程中受到制動(dòng)速度和垂直加速度的限制。

4.分析結(jié)果。結(jié)合相關(guān)軟件，計(jì)算出車架的靜態(tài)安全系數(shù)，并與上述四種不同工況下的材料安全系數(shù)進(jìn)行比較，從而有效確定車架在特定工況下的安全系數(shù)。在某些情況下，車輛處于安全狀態(tài)：在第一種狀態(tài)下，車輛處于安全狀態(tài)在垂直方向沖擊和各種壓力作用下，車架通常會(huì)有不同程度的彎曲，因此靜態(tài)安全系數(shù)的取值也會(huì)發(fā)生變化。分析表明，梁的最小靜態(tài)安全系數(shù)為1.007。它大于材料本身的安全系數(shù)，所以在這種情況下，車架受到垂直沖擊時(shí)，是安全可靠的，能夠保證車輛的平穩(wěn)運(yùn)行。第二種工況也就是說，當(dāng)車架滿載時(shí)，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。此時(shí)應(yīng)考慮側(cè)向加速度對(duì)結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度的影響和車架靜態(tài)安全系數(shù)的變化，梁的最小靜安全系數(shù)為2.135，高于材料本身的靜安全系數(shù)。當(dāng)車輛處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠。第三種工況時(shí)，車輛的左前輪和右后輪各為0.15米的抬升。在這種情況下，車架的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力相對(duì)較高，因此車架本身的靜態(tài)安全系數(shù)也會(huì)降低。經(jīng)分析，縱向梁的最小靜安全系數(shù)為0.444。這低于材料本身的安全系數(shù)。因此，車架扭轉(zhuǎn)時(shí)，不可靠的。當(dāng)車輛處于第四工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)考慮制動(dòng)速度對(duì)車架的影響，并分析相應(yīng)的靜態(tài)安全系數(shù)值。分析結(jié)果表明，縱梁的最小靜安全系數(shù)為1.91。這高于材料本身的安全系數(shù)，所以當(dāng)車輛處于這種狀態(tài)時(shí)，是安全可靠的。

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的空前步伐和人民生活質(zhì)量的提高，也促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展和道路車輛數(shù)量的增加。車輛的使用壽命和安全性已成為關(guān)鍵。在汽車系統(tǒng)中，車架是主要的支撐結(jié)構(gòu)。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意車架設(shè)計(jì)的效率和有效性，并利用相關(guān)軟件對(duì)不同工況進(jìn)行深入分析。汽車車架CAE技術(shù)有助于提高汽車安全系數(shù)的可靠性和穩(wěn)定性。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，CAE技術(shù)將在形態(tài)結(jié)構(gòu)上取得突破。闡述CAE技術(shù)在汽車發(fā)展中日益重要的作用。