童世偉，白亞鵬，張永生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MSC.NASTRAN的一種載貨車車架設(shè)計(jì)

童世偉，白亞鵬，張永生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了商用車車架的功能及設(shè)計(jì)要求，從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)角度出發(fā)，介紹了一款優(yōu)秀的有限元分析軟件MSC.NASTRAN，并提出了基于MSC.NASTRAN的汽車車架強(qiáng)度計(jì)算分析方法。

車架設(shè)計(jì)；有限元分析；MSC.NASTRAN；優(yōu)化設(shè)計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.024

CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-68-03

引言

汽車車架受力復(fù)雜，承載各零部件的自重及傳給車架的各種力和力矩，汽車行駛時(shí)所受的沖擊、扭曲、慣性力也要傳遞到車架上。在車架的設(shè)計(jì)中，借助高逼近性軟件，應(yīng)用CAE設(shè)計(jì)，進(jìn)行計(jì)算、分析、預(yù)測(cè)與模擬，可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高研發(fā)效率，降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本。

1、本文的任務(wù)

基于車架性能要求以及設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)分析工具的應(yīng)用，本文做如下幾個(gè)方面的探討：

（1）車架的功用及設(shè)計(jì)要求；

（2）MSC.NASTRAN的基本功能及使用方法；

（3）基于MSC.NASTRAN的車架CAE分析。

2、車架的功用及設(shè)計(jì)要求

商用汽車車架一般采用邊框式車架，優(yōu)點(diǎn)是承載能力強(qiáng)，抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝要求較低，開(kāi)發(fā)容易。

在設(shè)計(jì)和使用時(shí)對(duì)汽車車架的要求如下：

（1）具有足夠的強(qiáng)度，保證在汽車大修里程內(nèi)，車架的主要零部件不因受力而破壞；

（2）具有足夠的抗彎剛度，以免車架上的總成因變形過(guò)大而發(fā)生早期損壞；

（3）車架要有合適的扭轉(zhuǎn)剛度，車架兩端的扭轉(zhuǎn)剛度大些，而中間一段小些；

（4）車架要輕，一般其自身質(zhì)量應(yīng)在整車整備質(zhì)量的10%以內(nèi)。

（5）邊梁式車架縱梁的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單，斷面沿長(zhǎng)度不變或少變化，這樣可以簡(jiǎn)化工藝。

3、MSC.NASTRAN簡(jiǎn)介

MSC.NASTRAN由美國(guó)MSC 公司與Computer Sciences和 Martin 公司開(kāi)發(fā)，具有如下主要特點(diǎn)：

3.1 具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入和輸出格式

MSC.NASTRAN 的輸入和輸出數(shù)據(jù)文件相當(dāng)格式化，可以直接由文本編輯器書寫，幾乎所有的CAD/CAM 系統(tǒng)都競(jìng)相開(kāi)發(fā)了其與MSC.NASTRAN 的直接接口。

3.2 支持全范圍的材料模式、載荷和邊界條件

MSC.NASTRAN 支持的材料模式，包括均質(zhì)各向同性材料，正交各向異性材料，各向異性材料，隨溫度變化的材料。MSC.NASTRAN 可以通過(guò)對(duì)約束點(diǎn)或約束處的描述反映邊界條件，可以處理各種邊界條件。

3.3 求解精度和運(yùn)算效率高、計(jì)算時(shí)間短

MSC.NASTRAN 能夠有效地求解大模型，其稀疏矩陣算法速度快而且占用磁盤空間少，節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)排序以減小半帶寬，再啟動(dòng)功能可以利用已有的計(jì)算結(jié)果繼續(xù)計(jì)算。通過(guò)不斷地對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)行優(yōu)化以及采用先進(jìn)的計(jì)算單元，極大地提高了分析時(shí)間和速度，求解精度也相對(duì)提高。

3.4 軟件可靠性好、分析的范圍廣

MSC.NASTRAN可以用于靜力分析、模態(tài)分析、屈曲分析、熱應(yīng)力分析、流固耦合、動(dòng)力響應(yīng)分析、熱傳導(dǎo)分析、非線性分析、設(shè)計(jì)靈敏度分析、優(yōu)化分析、超單元分析、氣動(dòng)彈性分析。MSC.NASTRAN在汽車結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用十分廣泛，特別是在車身車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、響應(yīng)分析中占有重要的地位。

4、計(jì)算分析

車架設(shè)計(jì)分析主要是考察車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的受力情況，以確定車架彎曲、扭轉(zhuǎn)時(shí)的邊界條件。本文做彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算分析。

4.1 三維模型的建立

采用UG 軟件對(duì)該車架總成進(jìn)行三維建模，如圖1所示：

圖1 6×2雙前橋載貨車的車架模型

4.2 前處理概述

車架模型從UG中以igs形式導(dǎo)出，然后將其導(dǎo)入至Hypermesh中進(jìn)行車架的網(wǎng)格劃分、屬性定義以及連接、力和約束的施加賦值。車架結(jié)構(gòu)中的小尺寸結(jié)構(gòu)，如板簧吊耳、副簧限位件等，對(duì)車架的整體影響不大，可以忽略不計(jì)。而對(duì)于鏈接兩個(gè)零件的鉚釘，則采用剛性單元代替。車架結(jié)構(gòu)都采用板殼單元進(jìn)行離散。單元形態(tài)以四邊形單元為主，避免采用過(guò)多的三角形單元引起局部剛性過(guò)大。完成后的整個(gè)車架被劃分為235251 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 226075個(gè)殼單元。

車架所承受的力包括載重力、駕駛室的重力、發(fā)動(dòng)機(jī)的重力。坐標(biāo)為整車坐標(biāo)系，列舉彎曲工況下車架總成受力。

模型參數(shù)包括：前板簧剛度為473N/mm，后板簧剛度為540N/mm，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量650kg，駕駛室質(zhì)量為880kg，左、右縱梁選用常用的汽車大梁鋼550L-8 GB/T3273，橫梁則采用510L鋼材。材料550L的彈性模量E=210GPa，泊松比=0.3，密度=7.83E-6Kg/mm3，屈服極限為400MPa。材料510L的彈性模量E=210GPa，泊松比=0.3，密度=7.53E-6Kg/mm3，屈服極限為355MPa。

表1 主梁、橫梁材料屬性

4.3 計(jì)算及結(jié)果分析

把處理后的文件導(dǎo)入MSC.NASTRAN進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)果：

4.3.1 彎曲工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2

圖2 彎曲工況應(yīng)力云圖

從圖2所示結(jié)果可以看出整體應(yīng)力分布均勻。彎曲工況應(yīng)力最大值為186MPa，未超出材料屈服極限。

4.3.2 扭轉(zhuǎn)工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3

圖3 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

從圖3所示結(jié)果可以看出，整體應(yīng)力分布比較均勻，只是在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)總質(zhì)量30t時(shí)，扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力最大值為459MPa，超出材料屈服極限。

計(jì)算可知該結(jié)構(gòu)存在不足，當(dāng)載重30t時(shí)局部應(yīng)力過(guò)大，不能滿足使用條件，需要做優(yōu)化處理。

5、優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 優(yōu)化方案

圖4 加強(qiáng)梁位置示意圖

從應(yīng)力云圖可知應(yīng)力過(guò)大的位置在后懸架部位，因此對(duì)后懸架部位做局部加強(qiáng)，以降低應(yīng)力，使車架滿足強(qiáng)度要求。加強(qiáng)形式為內(nèi)加5mm的U型加強(qiáng)梁，材料為550L。加強(qiáng)方式如圖4所示：

左、右加強(qiáng)梁材料屬性如下表所示。

A truck frame design based on MSC.NASTRAN

Tong Shiwei, Bai Yapeng, Zhang Yongsheng
(Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601)

This paper introduces the function and design requirements of vehicle frame, and introduces an excellent finite element analysis software MSC.NASTRAN, and puts forward a method of calculating and analyzing the strength of automobile frame based on MSC.NASTRAN.

Automobile frame design; Finite element analysis（FEA）; MSC.NASTRAN; Optimize design

U463.1

A

1671-7988 (2016)12-68-03

童世偉，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。