運動型多功能汽車車架的有限元分析

□徐 勇 □楊喜東 □牛寶忠 □傅春宏

奇瑞汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241006

1 研究背景

對于運動型多功能汽車（SUV）中起主要承載功能的車架而言，復雜的行駛路況和較重的行駛負載是其無法繞開的技術難題，加上日益嚴峻的環保排放要求和用戶燃油經濟性的需求，必須設計具備結構輕量化和足夠強度與剛度的車架，來保證SUV的可靠性和壽命。

應用有限元分析法可以解決以前手工計算時存在的眾多難題，筆者通過對SUV車架進行有限元分析研究，使復雜問題得到解決[1-2]。

在汽車車架結構有限元分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。近年來，由于計算機軟件和硬件飛速發展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量分析發展到定量分析[3-4]。應用范圍的不斷擴大，使有限元分析不僅能處理靜力方面的難題，而且能進行動態分析。有限元分析的處理對象也不斷增加，由以前單一的彈性介質擴展到目前黏著性、彈性、塑性等材料[5]，從以前的桿梁問題擴展到平面、空間及板殼問題。應用有限元軟件，獲得更為卓越的車架設計技術，同時能及時了解設計過程中存在的問題，綜合考慮車架構造及外力負載的復雜性，進而獲得更加優化的設計結果[6]。

2 有限元建模

應用CATIA V5軟件中草圖和零部件設計兩個模塊，完成創建SUV車架三維模型，如圖1所示。

圖1 SUV車架三維模型

3 有限元分析

將SUV車架三維模型導入ANSYS軟件[7]，建立車架結構模型。

定義單元類型，選中實體單元為Solid Brick 8 node 45單元。

設置材料屬性，車架材料屬性見表1所示。

表1 車架材料屬性

通過菜單 Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete建立懸架模型[8]。

劃分網格。該有限元模型包含20 380個實體單元、8個螺旋彈簧單元，以及8個模擬懸架的MPC184剛性梁單元。

3.1 靜力分析

進行有限元靜力分析時，需對模型的工況進行限制。限制方式應確保結構不會造成剛性位移，使總剛度方程具有唯一解。車輛工況主要包括彎曲、扭轉、緊急制動和轉彎四種，其中彎曲和扭曲的影響最大。因此，將彎曲和扭轉兩種工況作為研究對象。為確保有限元模型不會造成剛性位移，對這兩種工況進行限制處理。

彎曲工況模擬在滿載條件下，車輛四輪在路面上以恒定速率向前移動的情況。當有限元求解模擬彎曲工況時，車架所承受的質量和負載要乘以動態負載因數，來進行框架結構的強度和剛度校正。

在處理求解時，彎曲工況約束狀態如表2所示。

表2 彎曲工況節點約束狀態

表2中所示節點為理論節點，實際作用節點以有限元模型中的節點號為準。Ux、Uy、Uz為節點平動自由度，ROTx、ROTy、ROTz為繞軸轉動自由度，Y表示對該自由度進行約束。

扭轉工況指單個輪胎懸空、其它三個輪胎承載車輛的臨界狀態。在開始求解時，前懸架支架與輪胎連接±20 mm處往Y向偏移，與水平位移相反。車輛受到最惡劣的扭轉工況通常是慢速行駛在凹凸坎坷的路面時產生的，因為此時汽車行駛速度慢，慣性載荷小，最大動載荷因數為2.3。在處理求解時，扭轉工況約束狀態如表3所示。

表3 扭轉工況節點約束狀態

按上述工況約束限制好后，再進行載荷加載處理，最后進行車架結構靜力分析。在MPC184剛性梁單元連接下，兩種工況的應力和變形分別如圖2～圖5所示。

3.2 結構模態分析

車架構造的模態研究是汽車新產品研發中的主要任務，特別是車架構造的低階彈性模態，不但表明了車架的剛度性能，而且是分析汽車產生振動的重要依據，應該視作汽車新產品研發的強制性審核標準。

ANSYS給予七種模態提取方式，其中分塊蘭喬斯方式因精確度高與求解速率快等優點被普遍應用，筆者應用這一方式提取SUV車架結構的前八階

圖2 彎曲工況應力分布

圖4 扭轉工況應力分布

圖3 彎曲工況變形分布

圖5 扭轉工況變形分布

模態[8-9]。經過后處理，獲得SUV車架的前二十階固有頻率，見表4。

表4 SUV車架結構前二十階固有頻率 Hz

當汽車以較高速度在寬闊的路面上行駛時,常受到對稱垂直載荷作用，這類載荷最易引起車架結構的彎曲模態。通過上述彎曲模態分析，能夠掌握車架在不同階次下的頻率[10]。模態分析的目的是評估車架的強度。上述分析中，車架彎曲最大應力出現在車架最后一根橫梁處，應力值為56.1 MPa,變形量為0.119 mm。車架扭轉最大應力出現在車架倒數第二根橫梁處，應力值為53.8 MPa，變形量為0.134 mm。兩處應力和變形量均在允許范圍之內，車架結構能適應既定工況，滿足強度和剛度的設計要求。

4 結束語

筆者應用CAITA軟件參數化建模和ANSYS軟件對SUV車架進行強度和剛度分析，有利于指導整車開發項目，并通過結構應力工程分析，在新車試制階段及時發現問題，促進問題的解決。