某全框式前副車架有限元分析與優化

連 昊，陳 劍，朱 波

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

副車架作為車身與汽車懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，是汽車底盤的一個重要零件。在上個世紀八九十年代，前副車架結構在國內生產的A級車中還并不普遍。當時小型車采用的主要是麥弗遜式懸架，并且通過車身上的特殊定位結構與懸架上的控制搖臂相連接。目前，隨著汽車工業對整車零部件模塊化的要求越來越強烈，采用前副車架結構的A級車型等微型車越來越普遍[1]，在提高舒適性的同時大大降低了開發成本。

某車型前懸采用全框式前副車架，其結構由上下片、左右縱臂、前框、彎管、套管、前點安裝支架以及若干加強板和支架焊接而成，并通過6個裝有襯套的套管與車身連接。下面將利用有限元軟件對前副車架進行結構強度分析，以校核其是否滿足結構強度要求。

1 前副車架結構強度分析

1.1 前副車架的有限元模型

將前副車架數模進行適當簡化后抽取中面，將中面數模導入Hypermesh中進行有限元模型創建。由于該副車架組成零件均為薄板件，故采用Shell殼單元模擬，單元大小3 mm，焊縫連接采用seam功能創建，用四邊形殼單元模擬，襯套采用六面體實體單元模擬；后副車架安裝點與載荷力施加點處采用rbe2單元進行處理，最后得到前副車架的有限元模型，如圖1所示。除上片采用QSTE380（屈服強度為380 MPa）外，其余零件材料為SAPH440，其屈服強度為305 MPa.

圖1 前副車架有限元模型

1.2 前副車架強度分析

前副車架在整車行駛時有向前制動、過雙側凸包、過單側深坑、極限轉向等12個工況，其中過單側深坑工況最為惡劣，工況系數為xz（1.5，4.5），故下面以該工況為例對前副車架進行強度分析。

該前副車架通過六個襯套與車身連接，故對六個襯套在x、y、z三個方向的平移自由度進行約束，釋放其旋轉自由度。將ADAMS動力學分析得出的過單側深坑工況下前副車架各硬點受到的力和力矩（如表1所示）輸入到Hypermesh中，將對應的力和力矩施加在對應硬點上。利用Radioss求解器對前副車架有限元模型進行分析計算，得到該工況下前副車架的應力云圖，如圖2所示。

表1 過單側深坑工況下前副車架各硬點受到的力和力矩

圖2 前副車架應力云圖（正面+反面）

前副車架最大應力位于下片與縱臂搭接圓環焊縫處，應力值為452.7 MPa，如圖3所示，遠大于材料屈服強度305 MPa；第二大應力位于縱臂內側圓弧缺口處，應力值為411.7 MPa，如圖4所示，遠大于材料屈服強度305 MPa.從分析的結果上來看，縱臂與上下片搭接結構存在設計缺陷，故下面對前副車架進行優化設計。

圖3 最大應力處

圖4 第二大應力處

2 前副車架優化設計

2.1 優化設計

原方案中，由于縱臂的上下臂搭接的結構，導致縱臂與上下片搭接存在一段無法搭接的空擋區，如圖5所示，從而使得此處強度不足，下片與縱臂搭接處應力過大。同時，縱臂為了避開轉向器安裝柱，在內側開了一個圓弧缺口（見圖6），此處縱臂的上下臂搭接焊縫被斷開，導致此處存在強度缺陷，從而縱臂內側圓弧缺口處應力過大。

圖5 原方案縱臂與上下片搭接結構

圖6 原方案縱臂內側圓弧缺口

針對上述問題分析，對前副車架進行優化設計，將縱臂與上下片搭接處延伸出來，使原結構薄弱處變為一個整體，把縱臂與上下片搭接處向中間移動，如圖7所示，縱臂與上下片具體搭接結構如圖8所示。同時縱臂在與上下片搭接處附近增加一個加強板，如圖9所示，對結構進行加強，同時對剛度也有提升。

圖7 優化方案有限元模型

圖8 優化方案縱臂與上下片搭接結構

圖9 縱臂內置加強板

2.2 優化方案強度分析

將優化數模導入Hypermesh中進行結構強度計算，同樣得到優化方案在過單側深坑工況下的應力云圖，如圖10所示。其中，除下片采用QSTE380（屈服強度為380 MPa）外，其余零件材料為SAPH440，其屈服強度為305 MPa.

圖10 優化方案前副車架應力云圖（正面+反面）

前副車架最大應力位于下片上，為下片與縱臂搭接處，應力值為317.4 MPa，如圖11所示，小于材料屈服強度380 MPa；其余零件最大應力位于縱臂與彎管連接上端，應力值為290.4 MPa，如圖12所示，小于材料屈服強度305 MPa.從分析的結果上來看，優化后前副車架滿足結構強度要求。

圖11 優化方案最大應力處

圖12 優化方案第二大應力處

優化后，前副車架重量為35.43 kg，比優化前36.73 kg輕了1.3 kg，起到了一定的輕量化作用。

3 結束語

對前副車架進行結構強度有限元分析發現了其存在一定的結構缺陷，經過對結構缺陷的分析找到了問題所在，通過對縱臂與上下片的搭接結構進行優化設計，使前副車架滿足結構強度要求，同時還降低了重量，達到了優化的目的，而且此優化設計對同類產品也可起到借鑒作用。