基于MSC.NASTRAN的一種載貨車車架設計

童世偉，白亞鵬，張永生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MSC.NASTRAN的一種載貨車車架設計

童世偉，白亞鵬，張永生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了商用車車架的功能及設計要求，從計算機輔助設計角度出發，介紹了一款優秀的有限元分析軟件MSC.NASTRAN，并提出了基于MSC.NASTRAN的汽車車架強度計算分析方法。

車架設計；有限元分析；MSC.NASTRAN；優化設計

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，汽車行駛時所受的沖擊、扭曲、慣性力也要傳遞到車架上。在車架的設計中，借助高逼近性軟件，應用CAE設計，進行計算、分析、預測與模擬，可以優化產品結構，提高研發效率，降低設計開發成本。

1、本文的任務

基于車架性能要求以及設計中計算機分析工具的應用，本文做如下幾個方面的探討：

（1）車架的功用及設計要求；

（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、車架的功用及設計要求

商用汽車車架一般采用邊框式車架，優點是承載能力強，抗扭剛度大，結構簡單，生產工藝要求較低，開發容易。

在設計和使用時對汽車車架的要求如下：

（1）具有足夠的強度，保證在汽車大修里程內，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大而發生早期損壞；

（3）車架要有合適的扭轉剛度，車架兩端的扭轉剛度大些，而中間一段小些；

（4）車架要輕，一般其自身質量應在整車整備質量的10%以內。

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

3、MSC.NASTRAN簡介

MSC.NASTRAN由美國MSC 公司與Computer Sciences和 Martin 公司開發，具有如下主要特點：

3.1 具有標準的輸入和輸出格式

MSC.NASTRAN 的輸入和輸出數據文件相當格式化，可以直接由文本編輯器書寫，幾乎所有的CAD/CAM 系統都競相開發了其與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 可以通過對約束點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 求解精度和運算效率高、計算時間短

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，節點能夠自動排序以減小半帶寬，再啟動功能可以利用已有的計算結果繼續計算。通過不斷地對數值計算方法的進行優化以及采用先進的計算單元，極大地提高了分析時間和速度，求解精度也相對提高。

3.4 軟件可靠性好、分析的范圍廣

MSC.NASTRAN可以用于靜力分析、模態分析、屈曲分析、熱應力分析、流固耦合、動力響應分析、熱傳導分析、非線性分析、設計靈敏度分析、優化分析、超單元分析、氣動彈性分析。MSC.NASTRAN在汽車結構分析中應用十分廣泛，特別是在車身車架的結構強度、剛度、模態、響應分析中占有重要的地位。

4、計算分析

車架設計分析主要是考察車架在彎曲和扭轉時的受力情況，以確定車架彎曲、扭轉時的邊界條件。本文做彎曲強度和扭轉強度計算分析。

4.1 三維模型的建立

采用UG 軟件對該車架總成進行三維建模，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形式導出，然后將其導入至Hypermesh中進行車架的網格劃分、屬性定義以及連接、力和約束的施加賦值。車架結構中的小尺寸結構，如板簧吊耳、副簧限位件等，對車架的整體影響不大，可以忽略不計。而對于鏈接兩個零件的鉚釘，則采用剛性單元代替。車架結構都采用板殼單元進行離散。單元形態以四邊形單元為主，避免采用過多的三角形單元引起局部剛性過大。完成后的整個車架被劃分為235251 個節點， 226075個殼單元。

車架所承受的力包括載重力、駕駛室的重力、發動機的重力。坐標為整車坐標系，列舉彎曲工況下車架總成受力。

模型參數包括：前板簧剛度為473N/mm，后板簧剛度為540N/mm，發動機質量650kg，駕駛室質量為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 計算及結果分析

把處理后的文件導入MSC.NASTRAN進行計算分析，得出如下結果：

4.3.1 彎曲工況下的計算結果見圖2

圖2 彎曲工況應力云圖

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

4.3.2 扭轉工況下的計算結果見圖3

圖3 扭轉工況應力云圖

從圖3所示結果可以看出，整體應力分布比較均勻，只是在局部出現應力集中。當總質量30t時，扭轉工況應力最大值為459MPa，超出材料屈服極限。

計算可知該結構存在不足，當載重30t時局部應力過大，不能滿足使用條件，需要做優化處理。

5、優化設計

5.1 優化方案

圖4 加強梁位置示意圖

從應力云圖可知應力過大的位置在后懸架部位，因此對后懸架部位做局部加強，以降低應力，使車架滿足強度要求。加強形式為內加5mm的U型加強梁，材料為550L。加強方式如圖4所示：

左、右加強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股份有限公司。