彭永子

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汽車車架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

彭永子

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，汽車的使用越來越普遍化，但是汽車車架作為汽車總成的一部分,承受著來自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷作用，并且汽車上許多重要總成件都是以汽車車架為載體。因此車架的強(qiáng)度和剛度在汽車總體設(shè)計(jì)中起到了非常重要的作用。本文主要針對有限元設(shè)計(jì)方法以及優(yōu)化設(shè)計(jì)類型進(jìn)行介紹，并通過對汽車車架在行駛運(yùn)載中的不同工況下（滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況、滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況、滿載緊急制動工況）的理論分析，并提出對車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的可以優(yōu)化修改的建議。本文的研究工作對車架的設(shè)計(jì)、改造和優(yōu)化等方面具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

汽車車架；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

汽車車架作為汽車的承重載體，它不僅承受來自貨物、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的載重，而且也承受汽車各方面的各種力矩的工作狀態(tài)。為了保證汽車車架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作性能又能使汽車車架達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。對此作者采用有限元模型的建立，對汽車的不同工況下的行駛狀態(tài)，對汽車車架進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的滿足狀態(tài)。這樣就解決了由于工況的復(fù)雜性而不能僅僅利用應(yīng)力的分析計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，而需要更加科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方法。

汽車車架結(jié)構(gòu)可以簡化為由一組梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，以梁單元的截面特性來反映車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)特性模擬車架縱、橫梁的連接狀況。

1 有限元方法

有限元主要是把連續(xù)的結(jié)構(gòu)分解成多個(gè)單元組或單元，利用對這些單元的分析結(jié)果應(yīng)用展開到對整體結(jié)構(gòu)性能的分析。對于現(xiàn)在的方法主要是在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)有限元的分析。有限元分析有如下特點(diǎn)：

（1）有限元分析方法適用于各種的工程結(jié)構(gòu)，本文所分析的汽車車架的形狀不受約束，并且CAD的形狀不會影響有限元模型的建立。

（2）在利用有限元分析時(shí)，汽車車架的單元材料屬性可以按照實(shí)物的實(shí)際情況來確定，也不需要考慮格結(jié)構(gòu)之間的影響。

（3）在有限元分析時(shí)，可以根據(jù)汽車車架的實(shí)際載荷情況和約束情況下，研究汽車車架不同行駛工況下的各種性能，提高效率和準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)載荷與約束力之間的相互關(guān)系。汽車車架有限元分析的步驟如下：

將汽車車架的三維實(shí)物圖的結(jié)構(gòu)離散化，再將其分解成更多小單元，找出一汽車車架的事務(wù)的各個(gè)部分一致的單元進(jìn)行匹配，最后來確定單元的大小、數(shù)量以及布置情況；為了確定結(jié)構(gòu)的位移，需要取有限元模型中的任意單元進(jìn)行分析；在進(jìn)行有限元模擬計(jì)算時(shí)，要對個(gè)單元的載荷向量和剛度矩陣進(jìn)行推導(dǎo)，最后得到如下等式：

[K]｛｝=｛｝

[K]為整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣，｛｝為整體結(jié)構(gòu)位移，｛｝為作用在整體結(jié)構(gòu)上的有限元結(jié)點(diǎn)得的外力。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的類型

按照設(shè)計(jì)的變量類型不同可以將對模型的優(yōu)化分為截面尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、碩撲優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)類型和材料的優(yōu)化。

（1）截面尺寸優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，例如車架的截面尺寸、厚度等作為設(shè)計(jì)的變量。

（2）形狀優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，通過改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)外邊界的形狀來改善汽車車架的結(jié)構(gòu)性能以及達(dá)到節(jié)省材料的目的。

（3）拓?fù)鋬?yōu)化

在優(yōu)化工程中，拓?fù)鋬?yōu)化主要在構(gòu)件間的相互聯(lián)系進(jìn)行分析，例如對結(jié)構(gòu)內(nèi)有無空隙、以及空洞的數(shù)量等，再通過保證結(jié)構(gòu)的性能的前提下，對其優(yōu)化，使其某種性能達(dá)到最優(yōu)值。

3 汽車車架的工況分析

汽車車架的材料一般會選用鋼材或其他塑性材料，而所選用車架材料的失效形式以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志，因此在對汽車車架的靜態(tài)強(qiáng)度校核根據(jù)第四強(qiáng)度理論。公式如下：

強(qiáng)度條件表示為：

σ≤[]

[]為許用應(yīng)力。

在汽車行駛過程中，汽車車架承受多方面的載荷受力，汽車車架的受力主要分為彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、橫向載荷以及縱向載荷等。其中彎曲載荷主要是由車身、車載設(shè)備等的質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生，彎曲工況下汽車四輪均著地；扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生于路面不平度對車身造成的非對稱支承；橫向載荷主要是由汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動時(shí)的慣性力的作用而產(chǎn)生的。

（1）滿載彎曲工況

汽車在滿載行駛過程中，車輪與地面完全接觸車架承受滿載時(shí)的靜載荷，并且汽車處于平衡狀態(tài)，計(jì)算汽車車架縱梁截面的最大彎曲應(yīng)力。

根據(jù)有限元分析軟件對滿載平衡狀態(tài)下的車架有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到汽車在滿載彎曲工況的最大變形為6.34mm發(fā)生在后段汽車車架的右后方位置，最大彎曲應(yīng)力為174MPa，分析汽車車架的縱向約束力以及橫縱約束力都符合要求。

（2）滿載扭轉(zhuǎn)工況

汽車在滿載扭轉(zhuǎn)工況的行駛過程中，地面的凹凸不平給使汽車在行駛過程中會受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用，對汽車產(chǎn)生非對稱支撐，對車架有扭矩作用。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為5.41mm，同時(shí)縱梁的最大應(yīng)力達(dá)到了157MPa，應(yīng)力強(qiáng)度滿足材料屈服極限290-385MPa。

（3）滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況

汽車滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況中，由于汽車的轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生了側(cè)向的離心力。離心加速度由汽車轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)Q定，同理在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候必然會有減速的過程，所以還有減速加速度。離心力的大小還受到車載質(zhì)量的影響。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為8.43mm，同時(shí)縱梁的最大應(yīng)力達(dá)到了189MPa，應(yīng)力強(qiáng)度滿足材料屈服極限290-385MPa。

（4）滿載緊急制動工況

汽車車架在滿載緊急制動工況行駛過程中，由于行駛工況的改變，車輛會加速或者減速，并且滿載汽車的質(zhì)量相對比較大，故而產(chǎn)生的慣性力也會偏大，同時(shí)慣性力還和汽車的加速度有關(guān)。汽車的慣性力使車架將承受和行駛方向相反的縱向載荷的作用。慣性力會對車架產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力與位移的變化。本文在利用有限元分析軟件中，得到該工況下車架的最大變形為5.03mm，同時(shí)縱梁的最大應(yīng)力達(dá)到了245MPa，應(yīng)力強(qiáng)度滿足材料屈服極限290-385MPa。

4 汽車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述過程中對汽車車架的分析，本文對汽車車架改進(jìn)方面提出以下建議：

（1）采用綜合力學(xué)性能好的材料，即彈性模量大，密度小的材料，質(zhì)量輕，或采用高強(qiáng)鋼；

（2）對汽車車架的尺寸、形狀進(jìn)行優(yōu)化改變。

（3）在保證車架剛度和強(qiáng)度的前提下，對車架進(jìn)行輕量化，避免車架過重使車架疲勞壽命縮短，使車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性變好，減少運(yùn)營成本；

（4）車架的連接方式采用鉚釘。鉚釘連接抵抗塑性變形的能力較強(qiáng)，連接性能較好，構(gòu)造簡單；

（5）在車架前端增加一根橫梁。這樣能夠使車架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，更能夠抵抗車架的變形。

5 總結(jié)與展望

本文針對汽車車架在載荷運(yùn)輸過程中所出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，利用有限元分析軟件建立汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，對車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，分析出車架的問題所在，并通過現(xiàn)有條件對車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為汽車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝改造提供了理論參考和技術(shù)支撐。

[1] 電動輪自卸車車架結(jié)構(gòu)抗疲勞輕量化設(shè)計(jì)[J].米承繼,谷正氣,蹇海根,張勇,李光,熊勇剛,李文泰.中國機(jī)械工程. 2017(20).

[2] 考慮動態(tài)特性的多工況車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].蘭鳳崇,賴番結(jié),陳吉清,馬芳武.機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2014(20).

[3] 有限元法在疲勞分析中的應(yīng)用及發(fā)展[J].周京,徐濱士,王海斗,邢志國,康嘉杰.理化檢驗(yàn)(物理分冊). 2013(10).

[4] 有限元仿真在振動結(jié)構(gòu)疲勞分析中的應(yīng)用[J].劉龍濤,李傳日,馬甜,喬亮. 裝備環(huán)境工程. 2013(04).

[5] 基于SIMP理論的電動汽車車身多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化[J].謝倫杰,張維剛,常偉波,崔杰.汽車工程. 2013(07).

Study on finite element analysis and optimization design of automobile frame

Peng Yongzi

( Chang'an University Automobile School, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the rapid development of economy and society, the use of automobile is more and more common. However, as a part of automobile assembly, automobile frame bears various complicated loads from road and loading, and many important components of automobile are carried by automobile frame. Therefore, the strength and stiffness of the frame play a very important role in the overall design of the vehicle. This paper focuses on the finite element method to design and optimize design introduces the types, and through to the chassis frame in driving vehicle under different working conditions (full load working condition of bending and torsion condition, carrying emergency condition, carrying emer -gency braking conditions turn) is analyzed, and puts forward the frame structure parameters can be optimized modification Suggestions. The research work in this paper has important reference value and guiding significance to the design, transformation and optimization of the frame.

Automobile frame; finite element analysis; optimization design

A

1671-7988(2018)22-49-03

U462

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1671-7988(2018)22-49-03

U462

彭永子（1991-），男，湖北省天門人，學(xué)生，碩士，單位：長安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向：車輛CAE技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.016