摘 要：管式車橋作為現(xiàn)代汽車底盤重要組成部分，其設(shè)計和性能直接關(guān)系到車輛的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)車橋結(jié)構(gòu)逐漸暴露出重量大、剛性不足和承載力有限等缺陷，采用新型管式車橋結(jié)構(gòu)成為一種有效的解決方案。本文將圍繞管式車橋的壓裝過程，采用有限元法重點分析其力學(xué)性能，探討不同工況下承載能力，通過一系列的研究，為管式車橋的設(shè)計與優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與實用指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：管式車橋 有限元仿真 仿真結(jié)果

在當(dāng)今技術(shù)快速發(fā)展的時代，汽車行業(yè)日益朝著輕量化、節(jié)能化和高性能的方向發(fā)展，在這一背景下，車橋作為連接車輪與車體重要結(jié)構(gòu)件，其設(shè)計與性能對整個汽車的行駛安全與效率起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)車橋結(jié)構(gòu)存在承載能力不足、剛性不夠以及重量過大的缺陷，難以滿足現(xiàn)代汽車對高強度與低重量要求，發(fā)展新型車橋結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

1 管式車橋結(jié)構(gòu)特點

管式車橋是現(xiàn)代汽車底盤設(shè)計中一種重要承載結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各類交通工具中，該車橋的設(shè)計充分考慮強度、剛度與輕量化有機結(jié)合，其主要組成部分包括圓管梁、軸頭、板簧支座、主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)等。各個部件通過協(xié)作配合，確保車輛運行過程中的安全性和穩(wěn)定性。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如表1圖1所示：

管式車橋采用空心管結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保了其在承載重載方面的能力，同時有效減輕車橋的整體重量。其主要材料選用42CrMo，該材料具有卓越的性能，彈性模量高達210000 MPa，充分展現(xiàn)材料在彈性范圍內(nèi)的強大變形能力。泊松比為0.28，體現(xiàn)材料在受力時的優(yōu)異變形特性。屈服強度達到930 MPa，確保車橋能夠承受較大的載荷而不發(fā)生塑性變形，選用的鍍鉻合金材料，使得管式車橋在面對高強度和高頻沖擊時，依然保持良好的韌性和耐腐蝕能力，進一步提升車橋的使用壽命和穩(wěn)定性，空心管結(jié)構(gòu)設(shè)計使車橋更加靈活地應(yīng)對復(fù)雜道路條件，滿足現(xiàn)代交通工具對能效和承載能力的雙重需求[1]。

2 有限元仿真模型的建立

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

在本研究中，采用Creo parametric進行1t管式車橋建模，通過ANSYS Workbench軟件精確設(shè)置各個零部件物理參數(shù)，有效模擬車橋在不同工況下的受力情況與整體行為。模型包含多個關(guān)鍵部件，每個部件的物理屬性均對模型的分析結(jié)果產(chǎn)生重要影響，模型中主要零部件的具體物理參數(shù)設(shè)置如表2所示。

所有部件材料均采用42CrMo，因其優(yōu)良的機械性能及化學(xué)穩(wěn)定性，適合于承受較大載荷與頻繁作用力的場合。為保證仿真模型準(zhǔn)確性，設(shè)定的密度值（7850 kg/m3）和彈性模量（210000 MPa）確保材料在彈性領(lǐng)域內(nèi)的表現(xiàn)被有效捕捉。泊松比選?。?.28）表示材料在受力時橫向與縱向變形的比例，反映材料各向同性特性，屈服強度和抗拉強度選擇，確保模型在實際使用中不發(fā)生材料失效，維持車橋結(jié)構(gòu)的安全性及耐用性，通過參數(shù)的合理配置，本有限元模型在仿真過程中準(zhǔn)確反映管式車橋力學(xué)行為及與外界負(fù)荷的相互作用，為設(shè)計優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)[2]。

在模型參數(shù)設(shè)置完成后，接下來進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是有限元分析中至關(guān)重要的一步，直接影響到計算的精度和效率。邊界條件與接觸設(shè)置是仿真分析中確保模型行為與實際工況相符的關(guān)鍵，根據(jù)管式車橋?qū)嶋H工作環(huán)境，對車橋模型施加相應(yīng)的邊界條件。在不平路面工況下，車橋會受到來自地面的不規(guī)則載荷，在模型的支撐部位施加相應(yīng)的位移約束，模擬車橋在實際行駛中的約束條件，考慮到車橋各部件之間的接觸問題，如軸頭與圓管梁之間的接觸，本研究采用ANSYS Workbench中的接觸算法，確保接觸面之間力的正確傳遞和分布，管式車橋的有限元仿真模型得以成功建立。模型參數(shù)的精確設(shè)置、合理的網(wǎng)格劃分以及準(zhǔn)確的邊界條件與接觸設(shè)置，共同確保了仿真分析的準(zhǔn)確性和可靠性，將對模型進行不同工況下的仿真分析，以評估車橋在實際使用中的性能表現(xiàn)。

2.2 網(wǎng)格劃分

在有限元仿真中，網(wǎng)格劃分是關(guān)乎分析結(jié)果精度的關(guān)鍵步驟之一，恰當(dāng)網(wǎng)格劃分不僅影響計算效率，直接影響最終應(yīng)力、應(yīng)變以及變形結(jié)果。因此，在本次管式車橋有限元分析中，選擇適合的網(wǎng)格類型和大小，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到結(jié)構(gòu)特征及其受力情況下的變化。本研究采用四面體單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，較為適用于復(fù)雜幾何形狀的單元，四面體單元具有較高適應(yīng)性，能很好地填充多種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，并且其在邊界面上具有較為靈活的網(wǎng)格劃分能力。在整體網(wǎng)格劃分中，設(shè)定整體網(wǎng)格尺寸為5mm，而在圓管梁與左右端的接觸面上，為能夠更精確地模擬接觸行為，將區(qū)域網(wǎng)格尺寸縮小到4mm，這樣的設(shè)置既保證在關(guān)鍵接觸區(qū)域有足夠精度，又避免整體網(wǎng)格數(shù)量過大導(dǎo)致計算資源浪費。

經(jīng)過網(wǎng)格劃分，共生成618894個節(jié)點和391782個單元，確保在解析過程中，充分捕捉到應(yīng)力集中、變形情況等關(guān)鍵物理現(xiàn)象。在實際仿真過程中，通過對網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保沒有不符合分析要求單元，從而有效減少由于網(wǎng)格問題帶來的解算誤差，考慮到計算時間與解精度之間的平衡，使得模型在保持足夠復(fù)雜性同時，仍能在可接受的計算時間內(nèi)獲得解答。

2.3 邊界條件與接觸設(shè)置

在有限元分析中，邊界條件設(shè)定及接觸配置至關(guān)重要，直接影響到模型解算與結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，為合理模擬管式車橋?qū)嶋H工作狀態(tài)，本研究在邊界條件設(shè)置上進行仔細(xì)考量，在圓管梁的外管面上施加固定支撐約束，意味著在分析過程中，該部分被限制所有的位移和轉(zhuǎn)動。該約束設(shè)置合理地模擬車橋在實際使用過程中所受到支撐情況，確保在受力條件下，結(jié)構(gòu)能夠反映出實際的行為，而摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2，反映材料間在一定接觸壓力下一般摩擦的表現(xiàn)，適用于眾多工程材料連接特性，能夠有效模擬真實的受力情況。

為精確地反映實際壓裝過程，選擇有摩擦接觸的接觸類型，確保在接觸面上能夠適當(dāng)?shù)貍鬟f接觸力和摩擦力，并考慮摩擦效應(yīng)對各個部件之間相互作用的影響，通過該方式，模擬能夠更加真實地呈現(xiàn)各種工況下，軸頭與圓管梁之間相互作用和載荷的傳遞過程。在仿真分析中，采用過盈量0.02mm設(shè)計參數(shù)，基于對實際工程應(yīng)用考量，目的是在保證連接部件能夠緊密結(jié)合前提下，避免由于過大過盈量導(dǎo)致的材料應(yīng)力集中或局部失效，合理的邊界條件和接觸設(shè)置使得模型能夠更真實地再現(xiàn)管式車橋的工作特性，為后續(xù)力學(xué)分析奠定堅實的基礎(chǔ)。

接觸設(shè)置的進一步優(yōu)化在確定了基本的邊界條件和接觸設(shè)置后，進一步優(yōu)化接觸算法以提高仿真精度。采用先進的接觸算法，如罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法，以確保接觸面之間的相互作用能夠被準(zhǔn)確捕捉。罰函數(shù)法通過引入一個懲罰項來處理接觸面之間的穿透問題，而拉格朗日乘子法則通過引入額外的約束條件來確保接觸面之間不發(fā)生穿透。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不平路面工況

在不平路面工況下，施加載荷為4400 N，此工況通常代表車輛在行駛過程中遇到的瞬時負(fù)載和沖擊。經(jīng)過有限元分析，計算得到圓管梁與軸頭之間的最大應(yīng)力值為893.26 MPa，該值顯著低于管材屈服強度930 MPa，表明在此工況下，管式車橋的設(shè)計具備足夠的承載能力，能夠有效應(yīng)對不平路面帶來的沖擊力。

在實際應(yīng)用中，不平路面通常導(dǎo)致車輛動態(tài)載荷增加，從而引發(fā)額外的應(yīng)力集中，通過仿真，不僅關(guān)注應(yīng)力的數(shù)值，也要考量平均變形量。在本次試驗中，平均變形量為1.25 mm，顯示出雖然處于荷載之下，結(jié)構(gòu)依然保持一定的剛性與穩(wěn)定性，該變形量在合理范圍內(nèi)，表明車橋在承載和動態(tài)變化下的響應(yīng)能力良好。一組靜態(tài)與動態(tài)結(jié)果也為后續(xù)工程實踐提供重要參考，確保設(shè)計階段時考慮安全系數(shù)得以滿足，并為管式車橋在復(fù)雜路況下的使用提供理論基礎(chǔ)，仿真結(jié)果不僅驗證設(shè)計合理性，也為未來可能出現(xiàn)的極端工況提供數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。

3.2 緊急制動工況

在緊急制動工況模擬中，施加垂直載荷為6000 N，模擬考慮車輛在快速減速時對前橋的沖擊作用，考慮制動過程中瞬態(tài)載荷的影響。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)圓管梁與軸頭局部最大應(yīng)力達到727.86 MPa，同樣低于930 MPa屈服極限，進一步印證系統(tǒng)設(shè)計的安全性與可靠性。

此工況下籠統(tǒng)承載能力結(jié)果反映管式車橋能夠承受突發(fā)動態(tài)載荷而不發(fā)生塑性變形，平均變形量為1.20 mm，也顯示整體結(jié)構(gòu)在負(fù)載作用下的良好穩(wěn)定性，應(yīng)力值與變形量的結(jié)合考慮使得全面評估緊急情況對車橋影響，并為后續(xù)的安全操作規(guī)程制定提供參考。緊急制動是車輛行駛安全管理中至關(guān)重要的一部分，本次仿真結(jié)果表明管式車橋在該工況下能夠有效維持其結(jié)構(gòu)完整性，并能在極端變動中保持良好操作性能，確保乘客的安全。

3.3 側(cè)滑工況

在側(cè)滑工況下，對前軸施加側(cè)向負(fù)荷設(shè)定為3500 N，常見于車輛行駛過程中發(fā)生側(cè)向滑動的緊急情況，模擬結(jié)果顯示最大應(yīng)力值為910.6 MPa，在該工況下管式車橋承載能力依然表現(xiàn)出色，且低于屈服強度，確保安全使用。

側(cè)滑工況通常伴隨車輛在轉(zhuǎn)彎過程中失控狀況，在此情況下跨接的應(yīng)力分布對安全至關(guān)重要。平均變形量為1.45 mm，表明盡管承受著側(cè)向載荷影響，結(jié)構(gòu)依然具備良好的變形承受能力和控制力，成功抑制過度變形。對于該突發(fā)工況來說，保障載荷傳遞完整性和穩(wěn)定性是保護乘客安全的必要條件，該工況下仿真結(jié)果不僅驗證管式車橋在非正常行駛條件下的性能指數(shù)，同時也為設(shè)計新材料特性和連接技術(shù)提供扎實依據(jù)，支持將來車輛設(shè)計中的改進方向。為確保未來新型車橋在類似工程上的應(yīng)用安全，需對側(cè)滑工況下的材料與結(jié)構(gòu)表現(xiàn)進行進一步的研究與優(yōu)化[4]。

4 不同過盈量對承載能力的影響

為深入探討過盈量對管式車橋承載能力影響，進行系列仿真分析，系統(tǒng)地評估不同過盈量下的最大應(yīng)力表現(xiàn)，過盈量選擇對于結(jié)構(gòu)連接的強度及其在動態(tài)負(fù)載下表現(xiàn)至關(guān)重要。在仿真中，過盈量從0.01mm到0.04mm不等，具體如表3所示。

從表3觀察到，隨著過盈量增加，各工況下最大應(yīng)力值表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，過盈量為0.01mm時，垂直工況最大應(yīng)力為953.23 MPa，而當(dāng)過盈量增大到0.04mm時，最大應(yīng)力降至763.73 MPa。該降低趨勢在所有工況下均一致，突顯過盈量設(shè)計的重要性，在緊急制動工況中，過盈量為0.01mm時最大應(yīng)力為797.74 MPa，而當(dāng)過盈量增加到0.04mm時，數(shù)值降低至632.61 MPa，相較初值下降約20.6%。同樣在側(cè)滑工況下，隨著過盈量從0.01mm增大到0.04mm，最大應(yīng)力從964.82 MPa降至774.63 MPa，降幅約19.7%，該應(yīng)力分布變化說明過盈量對整個結(jié)構(gòu)的影響，過盈量越大，接觸面積相對增大，摩擦力及支撐力得到提升，從而減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象[5]。

通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析，得出，合理過盈量顯著提高管式車橋的承載能力，在設(shè)定的范圍內(nèi)，適度過盈量不僅提高連接穩(wěn)定性，增強結(jié)構(gòu)在動態(tài)負(fù)載下的抗變形能力，過盈量為0.02mm時，垂直工況最大應(yīng)力為893.26MPa，雖然接近屈服強度，但仍然在安全范圍之內(nèi)，其他工況也表明結(jié)構(gòu)在此過盈量下具備充足的承載能力，為進一步驗證規(guī)律，考慮采用不同加載情況和條件進行新的實驗。在工程實踐中，通過調(diào)整過盈量來應(yīng)對不同負(fù)載需求，靈活優(yōu)化車橋的設(shè)計，對于重載或頻繁起伏路況，選擇較大過盈量，以確保車橋在使用過程中的安全性，而對于輕載或平坦路面，適當(dāng)減小過盈量，以避免不必要材料浪費，并降低車橋的整體重量。

在進一步的實驗中，考慮不同材料屬性對過盈量影響的敏感性，通過改變材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)，觀察在不同材料特性下，過盈量對承載能力的具體影響。實驗結(jié)果表明，材料的彈性模量越高，過盈量對承載能力的提升效果越明顯。高彈性模量材料在受到相同過盈量作用時，能夠產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力，從而更有效地分散應(yīng)力集中，泊松比的變化也對承載能力有一定的影響，但其影響程度相對較小。

5 結(jié)語

綜上所述，本研究通過對管式車橋進行有限元仿真分析，深入探討其結(jié)構(gòu)特點、材料屬性以及在不同工況下的承載能力表現(xiàn)。通過建立精確有限元模型以及合理設(shè)置各項參數(shù)，成功模擬管式車橋在不平路面、緊急制動和側(cè)滑等工況下的受力情況，獲得關(guān)鍵應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，這些結(jié)果驗證設(shè)計的合理性，為工程實踐中管式車橋安全與穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

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