作者孫國兵  

（東風汽車有限公司商用車技術中心  武漢  430056）

 

摘要：以某款現生產的卡車車架為研究對象，在保證減重后的車架性能不會有大變化的前提下。通過仿真技術對其進行減重設計。本文詳細描述了各種減重方案在車架上的實施效果，為今后的車架降成本工作提供了參考。

關鍵詞：CAE ;汽車；車架；優化；降成本

 

隨著商用車市場競爭的日趨激烈，如何改進產品的質量，如何降低產品的生產成本，成了所有汽車生產企業考慮最多的問題。汽車產品技術降成本是通過分析產品在設計、制造、使用、維護和回收等各環節的成本組成情況，改進設計方案或優化加工工藝，從而達到技術降成本的目的。但是使用傳統的樣車試驗方法來驗證降成本設計方案，不僅成本大而且周期很長。然而，采用CAE技術分析各種減重方案對車架結構強度的影響，具有周期短，方案靈活和成本低等優勢，越來越廣泛地應用于汽車產品設計中。

本文采用有限元仿真軟件HyperWorks，以某款現生產卡車車架為研究對象，對十一種減重方案進行對比分析，優化和評估各降成本設計方案。

1 車架有限元模型化

有限元分析的精度主要取決于有限元計算模型，模型必須如實反映車架結構的力學特性，所以模型化的基本原則是在硬件可以承受的情況下，盡量細分網格，使有限元模型盡量與車架幾何模型一致。車架原設計方案的有限元模型如圖1所示。

圖 1  車架原設計方案的有限元模型

2 載荷

為了使仿真結果更加準確，我們考慮了作用于車架上的所有載荷（如表1所示）。車架自重由軟件在輸入材料密度后自動計算得出，車架材料為DL510，強度極限為590MPa。

表1 作用于車架上的主要載荷

主要總成	質量(Kg)	質心坐標（Z X Y）	方向	備注
蓄電池	145	（1630，-730，-200）	垂直向下
儲氣筒1（后貯）	50+10	（1150， 800，-250）	垂直向下
儲氣筒2（前貯）	20	(2450,-720,-200)	垂直向下
儲氣筒3（輔助）	16	(5300,0,-180)	垂直向下
油箱（滿油）	400	（2050，800，-300）	垂直向下
發動機帶變速箱	1200	（400，0，-50）	垂直向下
駕駛室	1100		垂直向下
牽引總質量	80000			在X=3300~4300之間均布
鞍載質量	2200		垂直向下	鞍座

3 載荷工況的確定

實踐表明，彎曲工況和彎扭組合工況是車架的主要受力和變形模式，彎扭組合工況又

是其中最為惡劣的工況，為此本文主要考核彎扭組合工況下的應力和變形情況，以確保車架的強度和剛度滿足設計要求。

    彎曲工況：模擬汽車滿載行駛在平坦路面上的工況，約束前后車輪的豎直方向位移。

彎扭組合工況：模擬汽車滿載通過凹凸不平路面時的彎扭強度，它反映車架結構的實際最大靜態強度問題。此時，左前輪上凸臺（高度60mm），右前輪下凹坑（深度60mm），約束后車輪的豎直方向位移。

另外，車架的振動是造成疲勞破壞的主要原因之一，而且現在乘坐舒適性的要求也越

來越高，所以有必要對車架結構進行模態分析。模態分析也能在一定程度上反映了車架結構剛度的分布情況，本文分析了車架的前5階固有模態。

4 減重方案

綜合考慮了各種可用的減重方案，共有如下十一種優化方案：

優化方案一：在原方案基礎上去掉副梁。

優化方案二：在原方案基礎上去掉副梁，縱梁加厚到10mm。

優化方案三：在原方案基礎上將三角板減小減窄。

優化方案四：在原方案基礎上將三角板減小減窄，加墊塊。

優化方案五：在原方案基礎上取消副梁，三角板減小減窄，加墊塊，縱梁加厚到10mm。

優化方案六：在原方案基礎上取消副梁，三角板減小減窄，加墊塊，縱梁厚度不變。

優化方案七：在原方案基礎上三角板減小減窄，加墊塊，留部分副梁。

優化方案八：在原方案基礎上三角板減小減窄，三角板局部加強。

優化方案九：在原方案基礎上三角板減小減窄，加墊塊，留部分副梁，三角板局部加強。

優化方案十：在原方案基礎上三角板減小減窄，留部分副梁，三角板局部加強。

優化方案十一：在原方案基礎上三角板減小減窄，三角板局部加強，縱梁折彎部分加部分副梁加強，后橋處縱梁下翼面加加強板。

5分析結果

由于各種工況下的應力云圖相似，本文在此僅列出其中一種方案的應力分布圖，圖2至圖3是原車架重點部位的Von Mises應力云圖。各方案的應力結果如表2所示。

 

圖2  原車架角板處Von Mises應力云圖  單位：MPa

 

圖3  原車架平衡懸架橫梁處Von Mises應力云圖 單位：MPa

 

表2   CAE分析結果

方    案	車架變形（mm）	角板Von Mises應力（MPa）	平衡懸架橫梁Von Mises應力（MPa）	重  量 （Kg）	減重效果 （％）
原 車 架	105	586	536	1801	0.0
優化方案一	113	620	548	1623	9.88％
優化方案二	105	576	509	1716	4.72％
優化方案三	105	609	580	1715	4.78％
優化方案四	105	636	508	1722	4.39％
優化方案五	107	621	491	1636	9.16％
優化方案六	115	678	531	1543	14.3％
優化方案七	103	630	528	1647	8.55％
優化方案八	116	626	551	1543	14.3％
優化方案九	103	588	492	1652	8.27％
優化方案十	103	564	540	1647	8.55％
優化方案十一	104	617	578	1583	12.1％

表2中的方案九，三角板處的應力與原車架相同，但是平衡懸架橫梁上的應力比原車架降低8.2％；因此上述各方案中，最優方案是方案九。除了方案九以外，方案二和方案十的三角板和平衡懸架橫梁上的應力也都比原車架小，滿足設計要求，但是減重效果要比方案九差，因此，方案二和方案十是本文中的較優設計方案。

6模態分析

將方案九的設計思路應用到新設計的車架上（即T08車架），其前5階模態如表3所示。

表3  新型減重車的前5階模態計算結果

模 態 數	一  階	二  階	三  階	四  階	五  階
振    型	縱  扭	橫  彎	局  部	橫  彎	彎扭組合
頻率（Hz）	9.5508	13.6064	24.4130	28.4795	30.5113

7分析結論

通過前面分析，可得出如下結論：

（1） 經過減重后，新車的整車剛度較強，強度分布比原車型更合理，同時重量比原車減少149Kg，減重達8.27％。

（2） 通過以上對各種減重方案的分析，為今后減重車的設計提供了方向和指導。設計人員可以根據以上的減重效果和實際需要所達成的減重目標，合理選擇減重方案，以達到優化設計的目的。

（3） T08車架已經投產，經過用戶使用試驗，完全符合要求。

 

作者簡介：

孫國兵. 2002年畢業于湖南大學工程力學系工程軟件專業，2002年進入東風汽車有限公司東風商用車技術中心工作.現崗位為：底盤部底盤設計室結構仿真責任工程師。

地址：武漢經濟技術開發區東風大道。

文章來源于中國CAE年會第六屆論文集，轉載請注明出處。