鑄造橫梁結構改進有限元分析

李勝，蔡勛勛，閆琳

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

鑄造橫梁結構改進有限元分析

李勝，蔡勛勛，閆琳

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

為了降低鑄造成本及生產周期，文章運用有限元分析方法，對某鑄造橫梁進行靜強度分析。在滿足強度要求的情況下，由于鑄造橫梁在機加工過程中，盲孔加工困難，現將鑄造橫梁V推支座處盲孔改成通孔，并取消原鑄造橫梁凹槽上下側的筋。通過對新的鑄造橫梁進行CAE分析，結果表明，更改后的橫梁不僅滿足工藝要求，同時滿足靜強度要求，但后續還有拓撲優化的空間。

車架強度；有限元分析；橫梁分布

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.021

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-63-03

前言

平衡懸架是重型卡車底盤系統中重要的承載部件，主要由平衡軸支架、橫梁、中后橋、板簧組件和上下推力桿等組成[1]。卡車在行駛過程中，平衡懸架通過連接在橫梁的推力桿傳遞驅動力、制動力及其相應的反作用力矩，從而保證汽車的正常行駛。

橫梁作為內部連接車架縱梁和傳遞上推力桿作用力的重要結構件，其結構不僅影響重卡的載重，同時對重卡的綜合使用及維修保養有著重要的影響。

鑄造橫梁不僅體積大、結構復雜，鑄造難度也大，而且技術要求高[2]，考慮到生產周期及工裝費用，為降低成本，本文采用有限元分析方法，運用Hypermesh軟件，對鑄造橫梁進行強度CAE分析，進而指導設計生產。

1、鑄造橫梁有限元模型建立

平衡懸架在汽車行駛過程中，受力較大的工況為：(1)汽車轉向時，車身扭轉過程中，V型推力桿對平衡懸架的側向推力；(2)車輛啟動及制動過程中，下推力桿對平衡懸架結構的推力[3]。平衡懸架系統總成結構如圖1所示。

運用Hypermesh軟件對平衡懸架系統總成進行前處理，整體有限元模型如圖2所示。

根據某型重卡的設計載重量要求，滿載情況下，平衡懸架支撐結構在轉彎和制動的極限工況時，受自身重力G，側向推力0.6G，制動力1G。其受力情況具體如表1所示。

表1 加載載荷

約束車架兩端的自由度，分別在V推支座處加載表2的載荷，加載情況如圖3所示。

2、鑄造橫梁強度分析

2.1 材料參數

鑄造橫梁的材料為QT500，材料參數如表2所示。

表2 材料參數屬性

2.2 有限元分析結果

通過對鑄造橫梁的強度分析，得到新、舊橫梁的最小靜態安全因子，結構件靜態安全因子≥1時，該結構件達到強度要求，如圖4所示。

由圖4可以看出，該鑄造橫梁的最小安全因子均大于1，滿足強度要求。

但是，該鑄造橫梁，V型推力桿與它的連接孔為盲孔，根據其鑄造公司反饋，鑄造橫梁在機加工過程中，盲孔加工困難，會大大增加橫梁的廢品率，導致生產成本增加。考慮以上因素，現對該鑄造橫梁進行結構改進，并運用有限元方法對其進行驗證。

3、新鑄造橫梁強度分析

3.1 結構改進的鑄造橫梁

現將鑄造橫梁V推支座處盲孔改成通孔，如圖5所示。同時取消原鑄造橫梁凹槽上下側的筋，如圖6所示。

3.2 有限元分析驗證

將圖3的鑄造橫梁更改為新的鑄造橫梁，對其進行強度分析，得到新橫梁的最小靜態安全因子，如圖7所示。

由圖7可以看出：將盲孔變為通孔并沒有對橫梁的強度產生較大影響。舊橫梁在轉彎工況下，應力主要集中在凹槽上下側的筋處；去掉凹槽上下側的筋，該處的應力集中現象得到改善。而且，新橫梁同樣滿足強度要求。

4、鑄造橫梁強度對比

對比新、舊橫梁的最小靜態安全因子，如表3所示。

表3 鑄造橫梁強度對比結果

注：安全性評價標準最小安全因子≥1。

由表3可以看出：三種工況下，新、舊橫梁的最小安全因子均大于1，滿足強度要求，但是轉彎工況，安全系數相對較小；新橫梁轉彎工況下的安全因子略有提高。

新橫梁比舊橫梁質量略有降低，但是在啟動工況和制動工況下，其安全因子較高，還是有優化減重的空間。

5、結論

（1）三種工況下，新、舊橫梁的最小安全因子均大于1，滿足強度要求。

（2）將盲孔變為通孔并沒有對橫梁的強度產生較大影響。而且，去掉凹槽上下側的筋，在轉彎工況下，集中在原筋處的應力得到釋放。

（3）新橫梁轉彎工況下的安全因子略有提高。且新橫梁比舊橫梁質量略有降低，但是在啟動工況和制動工況下，其安全因子較高，還是有優化減重的空間，后續可以對其進行拓撲優化，在滿足使用強度的基礎上，使減重效果明顯。

[1] 馮琦,王宗彥等.某型重卡平衡懸架結構綜合優化設計.[J]機械設計與制造.

[2] 馬永威.橫梁鑄件鑄造工藝改進.鑄造技術.2006(11):1267～1268.

[3] 蘇曉春.李文濤等.基于HyperWorks的四種牽引車型鞍座連接板方式的車架強度研究.汽車實用技術,2015(9):36～37.

提取載荷位移曲線圖中各點最大變形、殘余變形等信息數值，形成表3：

由表3可知，優化方案后的翼子板屈曲抗凹4個點的各項指標均小于設計值，滿足目標要求。

表3 優化后屈曲抗凹參數值

4、結語

本文論述了汽車翼子板屈曲抗凹的有限元分析方法，得到了一種提升翼子板屈曲抗凹性能的優化手段。在設計開發階段，有利于指導汽車研發人員的精確設計，為今后的研發工作和優化技術提供參考范例。

參考文獻

[1] 吳文娟.淺談汽車前翼子板的結構設計[J].機電工程技術,2011,40（8):196-198.

[2] 樂玉漢.轎車車身設計[M].北京:高等教育出版社,1999.

Finite Analysis of a new casting beam

Li Sheng, Cai Xunxun,Yan Lin
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

In order to save time and cost, the FEM is used to simulate the static strength of casting beam. Although the result shows that casting beam is satisfied to strength, the difficult of the blind hole of casting beam when machining is considered. The blind hole of casting beam v-rod is changed to through-hole, also the strength rib of casting beam is cancelled. The new simulation results show that the modified casting beam satisfy process requirement and strength target. But Topo will be take into account in follow-up study.

casting beam; finite element analysis; static strength

U462.1

A

1671-7988(2016)10-63-03

李勝，（1984-），男，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。主要從事汽車設計工作。