基于HyperWorks 的某輕量化中置軸轎運車車架強度仿真分析

陳德發，羅慶元

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

車架是汽車的重要主體，發動機、駕駛室和橋等系統總成通過支架直接或間接裝配在車架上，組成一輛完整的車，同時承受著系統總成、貨箱產生的重力、沖擊力及車輛運動時產生的反作用力。車架就是車輛的骨架，影響整車的可靠性和承載能力。車架輕量化設計時，應當保證車架的剛度和強度[1]。

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架是一種常見的邊梁式結構車架，主要由2 根槽型縱梁和若干橫梁通過螺栓、鉚釘連接在一起。其中，車架縱梁采用單層結構，斷面參數為270mm×75mm×6mm，在受力大的位置補充斷面參數為240mm×68mm×4.5mm 的L 型輕量化加強板。橫梁采用5mm的槽型梁，連接板采用6mm 的L 型或C 型結構。車架結構圖如圖1 所示。

文章以HyperMesh 為前處理工具，將中置軸轎運車車架分解為二維網格和三維網格結合的有限元分析模型，利用OptiStruct 求解器進行分析計算，在后處理工具HyperView 中讀取分析結果。

通過分析車架的剛度、模態及各工況下車架的應力值，設計人員可判斷輕量化車架是否滿足整車剛度及強度性能要求，并以此為依據對車架結構進行優化升級。

圖1 車架結構圖

1 車架有限元模型建立

1.1 模型建立

HyperMesh 軟件中處理結構變化的操作比較復雜，應在CATIA 等幾何處理軟件中完成中置軸轎運車車架模型的建立[2-3]。車架模型應統一按整車坐標系建立，零部件的結構、位置應與圖紙一致，與車架連接的系統支架裝配在車架模型上，零部件之間不允許存在干涉情況。

1.2 車架網格劃分

車架幾何模型完善后，轉換成stp 格式導入HyperMesh中，并根據零部件的結構特點進行網格處理，其中，單元尺寸的大小直接決定計算結果的精度，設置過大則精度較差，過小又影響計算速度[4]。對于車架本體的鈑金件，一般按8mm ～10mm 劃分二維網格，其他系統支架按5mm ～8mm 劃分二維網格，圓角處的網格可根據R角的大小相應調整，取R角的1/2。板簧支座、懸置支座、平衡懸掛支座和方向機支座等鑄件和鍛造件根據模型的結構特點設置三維網格大小，為了保證運算結果和效率，厚度均勻的零件按厚度的1/2 ～1/4 取整后進行劃分，厚度不均勻的零件一般按4mm ～6mm 劃分鑄件的三維網格[5]。

1.3 連接模擬

商用車車架的縱梁、加強板、橫梁和連接板零部件主要通過螺栓、鉚釘和焊接組裝在一起。螺栓和鉚釘連接可用RBE22 和CBAR 代替；油箱與支架、貨箱與車架之間存在較大的接觸面，可用CGAP 單元代替；板簧可用CBEAM 單元代替，前、后橋簡化為BEAM 梁單元。

1.4 邊界約束及載荷施加

中置軸轎運車車架強度仿真分析中，邊界約束主要建立在輪心上，并根據不同的工況在X、Y、Z 三個方向設置不同的位移量。

車架主要受駕駛室、水箱、發動機、變速箱、電瓶、油箱和貨物等產生的重力及不同工況下產生的作用力的影響。車架強度仿真分析中，根據不同的工況設置不同的加載參數。車架有限元模型如圖2 所示。

2 中置軸轎運車車架強度分析

中置軸轎運車主要行駛在高速、一級公路及城市道路上，使用過程中常遇到靜態彎曲、緊急轉向、緊急制動和扭轉等惡劣工況，文章主要根據此四種工況對中置軸轎運車車架進行強度分析。

2.1 靜態彎曲工況

車架在靜態彎曲工況下，施加2.5 倍的重力，并加載在各部件的質心上。約束所有輪心節點，自由度設置如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應力值應力分布情況如圖3 所示。

2.2 緊急轉向工況

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架，主要考慮右緊急轉向工況，在左前輪心處施加1 倍重力，方向由左向右。約束所有輪心節點，右側所有輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；左側輪心自由度：DOF1=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應力值應力分布情況如圖4 所示。

2.3 緊急制動工況

車架在緊急制動工況下，施加1 倍的重力，加載在前橋輪心上。約束所有輪心節點，后輪輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；其他輪心自由度如下：DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應力值應力分布情況如圖5 所示。

圖3 靜態彎曲工況下的最大應力值應力分布情況

圖5 緊急制動工況下的最大應力值應力分布情況

圖6 扭轉工況下的最大應力值應力分布情況

2.4 扭轉工況

文章研究的輕量化中置軸轎運車車架，主要考慮左后輪扭轉工況。車架在扭轉工況下，施加1 倍的重力，加載在各部件的質心上。約束所有輪心節點，左后輪輪心自由度如下：DOF1=DOF2=0mm，DOF3=200mm；其他輪心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

該工況下，車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的最大應力值應力分布情況如圖6 所示。

3 結論

車架強度分析計算完成后，需要將車架零部件的應力值與材料性能參數做對比。車架零部件的常見材料性能參數如表1 所示。

表1 車架常用材料性能參數

根據車架強度分析計算結果，各工況下車架縱梁、橫梁和橫梁連接板的應力值及安全系數如表2 所示。

表2 各工況下車架應力及安全系數

從表中可知，車架在靜態彎曲、緊急轉向、緊急制動和扭轉工況下，車架縱梁、橫梁和連接板的強度滿足要求，安全系數大于2，證明文章所研究的輕量化中置軸轎運車車架滿足整車的強度性能要求。