任永連， 周 鋐

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 200092)

0 引言

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)對(duì)于汽車(chē)輕量化問(wèn)題越來(lái)越看重，在滿足強(qiáng)度的條件下使車(chē)身車(chē)架的重量減低，可使整車(chē)重量變小，從而使企業(yè)生產(chǎn)成本及用戶(hù)油耗降低，所以足夠的車(chē)身和車(chē)架強(qiáng)度就是該過(guò)程中必須保證的.非承載式汽車(chē)性能一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)也是車(chē)身車(chē)架的強(qiáng)度，且整車(chē)的疲勞壽命、剛度和NVH等性能都受到車(chē)身和車(chē)架強(qiáng)度的影響.

建立了某中型客車(chē)車(chē)身車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有限元模型(FEM)，利用該模型對(duì)車(chē)身車(chē)架的強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析.包括有限元模型的離散簡(jiǎn)化原則、模型中各個(gè)部件及連接方式所采用的單元類(lèi)型、所施加的邊界條件和載荷條件，最終找出車(chē)身車(chē)架模型的易斷裂位置.然后根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路強(qiáng)化試驗(yàn)，重點(diǎn)測(cè)試薄弱位置應(yīng)力狀況，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度，并為該車(chē)的輕量化提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)依據(jù).

1 理論仿真分析

1.1 FEM 的建立

一個(gè)車(chē)輛部件系統(tǒng)不管多么復(fù)雜，在給定的載荷作用下，從對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大小的角度看，一定有主要承載構(gòu)件與次要承載構(gòu)件.本文旨在分析車(chē)身車(chē)架整體的強(qiáng)度，一些局部的小結(jié)構(gòu)，諸如小孔，凸肩等可以予以忽略.首先將在CATIA中建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh中.在模型中，橡膠彈墊用CBUSH單元來(lái)模擬，用CWELD模擬焊接單元，螺帽墊片及螺母采用RBE2剛性單元建模，螺栓桿采用梁?jiǎn)卧Ｐ蚚2].最終的FEM中，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有744753個(gè)，單元個(gè)數(shù)有703126個(gè).

圖1 車(chē)底約束條件

1.2 加載方式及原因

該中型客車(chē)承受的載荷很多很復(fù)雜.在各種工況中，車(chē)身承受來(lái)自乘客、各種裝置和車(chē)身自重的重量，并將其傳到車(chē)軸上.車(chē)架不僅要承擔(dān)安裝在其上的各種載荷，而且還要承受在行駛中由于壞路不平造成的各種載荷.車(chē)輛在凸凹的壞路上行駛時(shí)，在汽車(chē)單輪升起降下，或者成對(duì)角線方向的前后輪同時(shí)升起降下等情況下，車(chē)身車(chē)架受扭轉(zhuǎn).這種扭轉(zhuǎn)使得車(chē)身車(chē)架承受的應(yīng)力很大.相關(guān)文獻(xiàn)資料及研究成果也表明:整車(chē)處于彎扭狀態(tài)是汽車(chē)的最?lèi)毫拥臓顟B(tài).

相關(guān)試驗(yàn)表明，靜載實(shí)測(cè)的高應(yīng)力點(diǎn)基本上是動(dòng)載實(shí)測(cè)的高應(yīng)力點(diǎn).因而在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，可以對(duì)模型加載靜態(tài)扭轉(zhuǎn)來(lái)模擬汽車(chē)動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)的狀態(tài).

圖2 加載方式

圖3 車(chē)底各橫梁及傳動(dòng)軸支撐

圖4 后門(mén)框右上、右下角及發(fā)動(dòng)機(jī)艙

靜態(tài)扭轉(zhuǎn)邊界載荷條件:邊界約束條件是約束后軸正上方所對(duì)應(yīng)的兩縱梁上節(jié)點(diǎn)的Y，Z兩方向上的平動(dòng)自由度;載荷方式是在前軸處施加沿X方向的扭轉(zhuǎn)角度為20°的扭矩.有限元模型邊界約束條件及加載方式如圖1和圖2所示.

1.3 結(jié)果分析

仿真結(jié)果中應(yīng)力較大的位置有車(chē)頭發(fā)動(dòng)機(jī)艙的拐角和邊緣處、儀表盤(pán)橫梁中間的兩處位置、后門(mén)框的四角、月牙板、前后座椅橫梁與車(chē)架縱梁交界處、右外側(cè)防火墻位置等.選取部分位置的應(yīng)力云圖如圖3，圖4和圖5所示.

圖5 月牙板

2 試車(chē)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 測(cè)量原理、步驟及應(yīng)變片布置準(zhǔn)則

任何物體在受到外力作用時(shí)均要發(fā)生變形，根據(jù)力學(xué)理論，其最大應(yīng)力應(yīng)變一般都發(fā)生在物體的表面，因此，測(cè)定物體表面的應(yīng)變就有實(shí)際意義.一般是將應(yīng)變片是用點(diǎn)焊或者是粘貼方式，使其貼在試件上.當(dāng)試件受力變形時(shí)，貼在試件上的應(yīng)變片的敏感柵也獲得與試件一樣的變形量，從而使敏感柵的電阻隨之發(fā)生變化，敏感柵的電阻變化與試件的變形之間有一定的規(guī)律，因此用受力后應(yīng)變片電阻的變化來(lái)反映試件的受力[4].

要保證應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量，否則會(huì)使最終測(cè)量的結(jié)果精度降低:

(1)必須保證被測(cè)位置表面的清潔、平整、光滑、無(wú)油污、無(wú)銹跡，所以要用砂紙對(duì)測(cè)量部位進(jìn)行磨平處理，并用酒精對(duì)該部位及周?chē)课贿M(jìn)行去污處理.(2)在粘貼位置中心劃縱橫中心線，縱線方向應(yīng)與應(yīng)變方向一致，保證應(yīng)變片粘貼的準(zhǔn)確性.(3)保證粘貼位置的牢固，選用502膠水在測(cè)量位置貼上應(yīng)變片及接線片.(4)牢固地焊接應(yīng)變片導(dǎo)線.(5)保證應(yīng)變片引線與被測(cè)件的絕緣性.(6)用703膠對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行密封，防止外界環(huán)境的變化對(duì)應(yīng)變片的影響.

按照以下幾點(diǎn)來(lái)選擇粘貼位置[5]:(1)有限元分析結(jié)果中應(yīng)力較大的點(diǎn).(2)根據(jù)該車(chē)型實(shí)際使用損壞情況、相似車(chē)型結(jié)構(gòu)的使用情況和實(shí)踐中證明可能存在的應(yīng)力集中點(diǎn).(3)該車(chē)型上所關(guān)心的特殊點(diǎn).(4)實(shí)施布片時(shí)工藝上可行的點(diǎn).

圖6 橋路原理

2.2 應(yīng)變組橋基礎(chǔ)

橋路的基本函數(shù)

本次試驗(yàn)中，為補(bǔ)償溫度變化對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，故均采用半橋電路.

將各個(gè)位置的應(yīng)變片(花)按照半橋電路連接好，信號(hào)調(diào)試完善后將試驗(yàn)車(chē)托運(yùn)至安徽定遠(yuǎn)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路工作載荷采集.三個(gè)駕駛員按照試驗(yàn)規(guī)范分別進(jìn)行道路譜采集以獲得多個(gè)樣本數(shù)據(jù).由于在本次試驗(yàn)中，三位駕駛員均按照規(guī)范跑車(chē)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別不大，具有代表性.

通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，該款車(chē)型易發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)點(diǎn)如下:

發(fā)動(dòng)機(jī)艙下部的拐角和邊緣處的兩處位置、儀表盤(pán)橫梁中間的兩處位置、月牙板的位置、后橋橫梁的位置、前后座椅橫梁與車(chē)架縱梁交界處的應(yīng)變值較大，這些位置是易斷裂的危險(xiǎn)位置.

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比有限元仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果中易發(fā)生斷裂的位置結(jié)果并不完全一致.比如在仿真時(shí)，后門(mén)框的四個(gè)角與右外側(cè)防火墻位置是結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)，但試驗(yàn)結(jié)果則顯示它們并非是危險(xiǎn)點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)果顯示后橋橫梁位置是結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)，但仿真結(jié)果顯示它們并非是危險(xiǎn)點(diǎn).這是因?yàn)?

(1)由于有限元模型的簡(jiǎn)化.仿真模型并不是完整的整車(chē)模型，該車(chē)型的有限元模型是由白車(chē)身與車(chē)架裝配而成的模型，而試驗(yàn)是在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行的.(2)仿真的約束加載方式與試驗(yàn)的約束加載方式不完全一致.(3)應(yīng)變片的實(shí)際粘貼位置與有限元分析結(jié)果中的危險(xiǎn)單元、危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的位置存在差異.

但該有限元模型是比較符合實(shí)際情況的，大部分易斷裂的危險(xiǎn)點(diǎn)在仿真中都給出了正確的結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果整體結(jié)果一致，說(shuō)明所建立的該款車(chē)型的FEM的是較正確的.該有限元模型可以作為該車(chē)型各種工況分析的基礎(chǔ)，從而進(jìn)行各種力學(xué)特性的分析研究.

4 總結(jié)

本文利用有限元分析技術(shù)的基本理論和方法，采用hypermesh分析軟件，建立了某中型客車(chē)的包含車(chē)身車(chē)架有限元模型，按照該車(chē)的實(shí)際使用要求，利用建立的有限元模型進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)的靜力學(xué)分析，得到了相應(yīng)結(jié)果.根據(jù)客車(chē)試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整車(chē)狀態(tài)下的試車(chē)場(chǎng)道路試驗(yàn)，得到車(chē)身車(chē)架實(shí)際的應(yīng)力分布及實(shí)際使用中車(chē)身車(chē)架上強(qiáng)度薄弱的環(huán)節(jié)，也證明了所建模型的準(zhǔn)確性.最終利用仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為該款車(chē)的后續(xù)一系列改進(jìn)提供依據(jù).

[1]趙黎.NHQ6470型SUV非承載式車(chē)身車(chē)架剛度強(qiáng)度的研究[D].河北:燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，2007.

[2]于開(kāi)平，周傳月，譚惠豐，等.Hypermesh從入門(mén)到精通[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

[3]郭迎春.黃海牌某型客車(chē)車(chē)身強(qiáng)度有限元分析[C].2005年全國(guó)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)論文集.北京:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，2005.

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[5]鄺坤陽(yáng).承載式車(chē)身強(qiáng)度試驗(yàn)分析研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2011，(5).