朱昌發(fā)，楊 森，錢立軍

(1.合肥工業(yè)大學，合肥 230009;2.北京中資燕京汽車有限公司，北京 102413)

車架是汽車的主要骨架之一，整車的絕大多數(shù)部件和總成(如側(cè)圍、懸架和發(fā)動機等)都是通過車架來布置和安裝的.與普通車相比，特種越野車經(jīng)常行駛在路面狀況惡劣的山地丘陵，行駛工況不斷變化，引起振動類型也復雜多變，這對該車的車架性能是一個嚴峻的考驗[1].因此，對特種越野車車架的強度性能和振動特性分析與優(yōu)化顯得尤為重要.

1 車架有限元模型建立

研究的車架為邊梁式結(jié)構(gòu)，橫梁與縱梁、橫縱梁與單個零件及單個零件之間的聯(lián)接復雜，為減小模型誤差，在UG中采用1∶1的比例建立實體模型.將建立好的模型導入HYPERMESH軟件中.對車架結(jié)構(gòu)的每個零件分別抽取中面，進行幾何清理、網(wǎng)格劃分和模擬焊接.車架大部分零件采用弧焊方式進行聯(lián)接，使用“rigid”單元來進行模擬，

在模擬焊接時，盡量按最近節(jié)點的原則進行焊接，如圖1所示.模型共有118 983個節(jié)點，116 807個單元.材料為16MnL，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比0.31，密度為7.85×103kg/m3，屈服強度為360 MPa.圖2為有限元模型圖.

2 強度分析

特種越野車車架的設計，要滿足在惡劣路面的行駛工況要求.通過對斜坡與水平路面、大扭曲越障與凹凸不平路面的對比分析，確定斜坡路面為車架彎曲較惡劣工況，大扭曲路面為車架扭轉(zhuǎn)較惡劣工況[2]，對緊急制動工況也進行分析.

2.1 載荷施加

特種車架與車身的聯(lián)接采用的是懸置點聯(lián)接，在前后左右共計11個懸置點處施加載荷，另外由發(fā)動機、離合器和變速器等組成動力總成系統(tǒng)，其安裝處也施加載荷，所有施加載荷方向均豎直向下.

2.2 約束條件與分析結(jié)果

1)斜坡路面行駛時的彎曲工況

在20°斜坡路面上行駛時，即整個車架沿Y軸旋轉(zhuǎn)20°.其約束條件:車架與前懸架聯(lián)接的左右兩端位置，約束Y、Z軸方向平動;車架與后懸架聯(lián)接的左右兩端位置，約束X、Y、Z方向平動.

通過ABAQUS軟件分析得出:車架最大應力值為257.4 MPa，位于前橋橫梁與左縱梁聯(lián)接處，如圖3所示.因該區(qū)域在約束區(qū)域附近，同時，動力總成這部分重量主要集中在前橋橫梁周邊，斜坡上產(chǎn)生沿斜面的剪力，方向沿斜面向左，所以，出現(xiàn)局部應力相對過大.

圖3 20°斜坡路面應力分布圖

2)大扭曲越障路面行駛時的扭轉(zhuǎn)工況

在大扭曲路面上行駛時，右前輪越障，越障高度為400 mm.其約束條件:車架與前懸架左端聯(lián)接處約束Y軸方向平動，車架與前懸架右端聯(lián)接處約束X、Y軸方向平動，右前輪Z=400，模擬抬高400 mm;車架與后懸架左端聯(lián)接的位置，約束Y、Z方向平動，車架與后懸架右端聯(lián)接的位置，只釋放X轉(zhuǎn)動方向自由度[2].汽車在該工況下受路面激勵和發(fā)動機振動等影響，產(chǎn)生一定的動載荷，由經(jīng)驗取動載荷系數(shù)為2.0[3]，其最后施加載荷值為系數(shù)與原所受的載荷相乘，方向不變.

通過ABAQUS軟件分析得出結(jié)果:車架最大應力值為348.6 MPa，接近屈服強度(360 MPa)，位于前橋橫梁與左縱梁聯(lián)接處，如圖4所示.因右前輪越障，抬高400 mm，應力偏向左前輪集中，同時動力總成這部分重量主要集中在前橋橫梁周邊，導致應力接近屈服強度.

圖4 大扭曲越障路面應力分布圖

3)緊急制動工況

該工況下，在Y方向上還要附加0.7 g的慣性力.其約束條件為:約束車架與前懸架聯(lián)接處X、Y、Z 3個平動自由度;約束車架與后懸架聯(lián)接處Y、Z兩個平動自由度.

通過ABAQUS軟件分析得出結(jié)果:車架最大應力值為263.5 MPa，位于安裝車身后部懸置處，如圖5所示.因汽車緊急制動，后部質(zhì)量較大，產(chǎn)生的慣性力較大，且前部產(chǎn)生的慣性力，有向后緩沖傳遞的趨勢，導致后部應力集中.

圖5 緊急制動工況下應力分布圖

對上面3種工況的結(jié)果進行對比知，在大扭曲越障路面上的扭轉(zhuǎn)工況所受應力最大(348.6MPa)，接近屈服強度(360 MPa).有必要對此處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計.

3 車架固有頻率計算

在有限元模型基礎上，再創(chuàng)建一個頻率的載荷集，對其固有頻率進行分析計算.在HYPERMESH軟件中，將其最小頻率設定為1.0 Hz，最大頻率設定為100.0 Hz，階數(shù)設定為5[4]，對車架在1.0～100.0 Hz范圍內(nèi)的前5階振動類型進行頻率計算.將設定好的有限元模型以INP格式導出，并導入ABAQUS軟件中進行分析計算.得出表1(其最大變形量將分析后的振型圖放大可看出具體數(shù)值).

表1 車架主要頻率和振型

由表知:該車架的1階頻率為24.678 Hz.車架受到的外部激振源主要來自于路面和發(fā)動機.路面激勵能量主要集中在20 Hz以下的頻率范圍內(nèi);發(fā)動機怠速時激勵頻率為20 Hz.因此，車架避免了由道路載荷和發(fā)動機引起的共振.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

4.1 改進方案

原前橋橫梁結(jié)構(gòu)為完全水平橫直的薄壁結(jié)構(gòu)，如圖6所示.對汽車在實際運行中的受力情況分析:當車輪遇到障礙物向上跳動時，前橋橫梁會迅速向上擺動，使得橫梁本身受到很大的斜向上的拉力作用，可將其分解為豎直向上的拉力F1和水平向外的拉力F2，如圖7;當車輪向下跳動時，分力F1反向，F(xiàn)2方向不變，大小時刻都是改變的，由于橫梁頻繁的上下擺動，較大且變化頻繁的水平分力F2促使橫梁聯(lián)接處高頻率的左右搖動.分析得出結(jié)論:只有通過克服拉力F2，才能達到減小前橋橫梁與縱梁聯(lián)接處的應力集中的目的.

改進后的前橋橫梁為兩邊水平橫直、中部下凹的薄壁結(jié)構(gòu)，如圖8所示.這種結(jié)構(gòu)不但可以分解F2方向的受力，起到緩沖作用，而且，還起到支撐發(fā)動機、離合器和變速器等一體的重量作用，同時可以節(jié)省材料[5].原前橋橫梁質(zhì)量為4.33 kg，改進后質(zhì)量為3.28 kg.

圖8 改進后前橋橫梁有限元圖

4.2 改進后的強度和固有頻率分析與計算

1)強度分析

對結(jié)構(gòu)改進后的車架進行斜坡路面和大扭曲越障路面工況及緊急制動工況進行再次分析，約束條件和加載情況與改進前車架分析時一樣，得到圖9、10和11.

圖11 改進后緊急制動工況應力分布圖

通過與改進前車架的強度對比:在20°斜坡路面上，前橋橫梁與左縱梁聯(lián)接處應力為89.61 MPa，與改進前該處應力257.4 MPa相比，降低了65%;此時，車架最大應力為215.1 MPa，比改進前最大應力降低了約42 MPa，位于車身與車架聯(lián)接處，如圖9所示.在大扭曲越障路面上，前橋橫梁與左縱梁聯(lián)接處應力為153.8 MPa，與改進前該處應力348.6 MPa相比，降低了近56%;此時車架最大應力為263.6 MPa，比改進前最大應力降低了約85 MPa，位于后橋橫梁與后縱梁聯(lián)接處，如圖10所示.而在緊急制動情況下，改進后車架最大應力為239.5 MPa，與改進前最大應力263.5 MPa相比，降低了24 MPa，且位置不變，如圖11所示.

2)車架固有頻率計算

對結(jié)構(gòu)改進后的車架進行前5階的模態(tài)進行計算分析，其結(jié)果如表2.

通過與改進前車架的固有頻率對比:1階頻率由24.678 Hz提高到26.148 Hz，遠離發(fā)動機固有頻率，避免了產(chǎn)生共振.最大變形量除了第4階以外，其他每階都降低.

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5 結(jié)論

1)從強度結(jié)果來看:改進后車架，在斜坡路面彎曲、大扭曲越障路面扭轉(zhuǎn)、緊急制動工況下，最大應力分別由 257.4 MPa、348.6 MPa、263.5 MPa降為215.1 MPa、263.6 MPa、239.5 MPa，降低車架整體應力，消除局部最大應力集中，提高車架整體性能.同時，還起到支撐發(fā)動機、離合器和變速器等一體的重量作用.

2)從質(zhì)量結(jié)果來看:改進后的橫梁質(zhì)量由原來的4.33 kg降為3.28 kg，減少了24%，減輕了重量，節(jié)省了材料.

3)從固有頻率結(jié)果來看:最低固有頻率由原來的24.678 Hz提高到26.148 Hz，沒有與發(fā)動機激勵頻率重合，不會發(fā)生共振.另外，新車架在一定程度上能降低最大位移變形量.

[1] 劉勝乾，顧力強，呂文匯.軍用某型牽引車車架靜動態(tài)特性分析[J].設計與研究，2006，33(4):10-12.

[2] 岳驚濤，丁玉蘭，李新耀.越野汽車柔性抗扭轉(zhuǎn)車架研究[J].中國工程機械學報，2010，8(3):329-334.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 李楚琳，張勝蘭，馮 櫻，等.Hyperworks[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[5] 程思遠.基于有限元分析的越野汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].南昌:南昌大學機電工程學院，2010.