基于ADAMS與HyperWorks的某車(chē)型扭力梁強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

黃巨成，高龍，鄒紅軍，汪翰明

基于ADAMS與HyperWorks的某車(chē)型扭力梁強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

黃巨成，高龍*，鄒紅軍，汪翰明

（奇瑞商用車(chē)（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

針對(duì)某車(chē)型的扭力梁開(kāi)發(fā)需求，首先基于該車(chē)型的硬點(diǎn)、整車(chē)及系統(tǒng)參數(shù)，利用ADAMS軟件建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，分析不同工況下的扭力梁受力點(diǎn)的受力情況，并提取各受力點(diǎn)力值。然后將各受力點(diǎn)的力值添加到按照實(shí)際工況進(jìn)行約束的扭力梁的有限元模型中，分析各工況下的扭力梁強(qiáng)度，并根據(jù)強(qiáng)度分析情況對(duì)扭力梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以滿(mǎn)足各工況受力需求。分析結(jié)果及耐久路試結(jié)果表明，優(yōu)化后的扭力梁滿(mǎn)足各工況使用需求。

扭力梁；ADAMS；強(qiáng)度分析

扭力梁懸架是較為常用的一種半獨(dú)立懸架，主要由扭力梁、彈簧、減震器、襯套等構(gòu)成，由于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制造成本較低而被廣泛應(yīng)用[1]。其中扭力梁主要由承受側(cè)向力矩、垂向載荷的橫梁和左右可上下擺動(dòng)的縱臂、彈簧托盤(pán)、減震器下支座、襯套安裝套管焊合而成，通過(guò)彈簧、減震器、襯套來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪與車(chē)身之間的柔性連接，以達(dá)到支撐車(chē)身和減震的作用。

扭力梁的尺寸、材料、橫梁斷面形狀、橫梁焊接位置、縱臂尺寸、縱臂斷面形狀等對(duì)扭力梁剛度影響很大，直接影響整車(chē)的操穩(wěn)性能。在整車(chē)開(kāi)發(fā)中，一旦扭力梁重新開(kāi)發(fā)，則整車(chē)的操穩(wěn)性能必須重新調(diào)校，操穩(wěn)性能調(diào)校周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)改型改款要求開(kāi)發(fā)周期短的車(chē)型不利。故一般在改款車(chē)型開(kāi)發(fā)中，會(huì)盡量保持平臺(tái)化，僅針對(duì)軸荷變化做相應(yīng)的強(qiáng)度校核并優(yōu)化，以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本。

本文針對(duì)某改款車(chē)型軸荷增大的需求，為進(jìn)行平臺(tái)化考慮，需對(duì)基礎(chǔ)車(chē)型后扭梁進(jìn)行強(qiáng)度分析。為此，利用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析和HyperWorks有限元分析相結(jié)合的方法，分析基礎(chǔ)車(chē)型扭力梁的強(qiáng)度，并針對(duì)強(qiáng)度不足的地方進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2-3]，以滿(mǎn)足整車(chē)開(kāi)發(fā)需求。

1 動(dòng)力學(xué)建模及分析

基于基礎(chǔ)車(chē)型的硬點(diǎn)、各系統(tǒng)參數(shù)，改款車(chē)型的軸荷分布信息、各部件的連接關(guān)系等，利用ADAMS軟件建立各系統(tǒng)模型，最終經(jīng)過(guò)裝配調(diào)試成整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型[4]，如圖1所示。

圖1 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

為模擬實(shí)車(chē)工況，考慮分析的全面性，結(jié)合整車(chē)的使用工況，設(shè)置分析工況如表1所示。

表1 動(dòng)力學(xué)分析工況

利用建立好的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型針對(duì)以上工況進(jìn)行分析，提取扭力梁各受力點(diǎn)的力值，以作為有限元分析的力值輸入。扭力梁各受力點(diǎn)如圖2所示。

① 梁與車(chē)身左襯套連接點(diǎn) ②扭梁與車(chē)身右襯套連接點(diǎn) ③左彈簧下支點(diǎn) ④右彈簧下支點(diǎn) ⑤左減振器下支點(diǎn) ⑥右減振器下支點(diǎn) ⑦扭梁與左車(chē)輪連接點(diǎn) ⑧扭梁與右車(chē)輪連接點(diǎn)

表2給出了利用整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)工況7進(jìn)行分析后的扭力梁受力點(diǎn)載荷提取值，通過(guò)各受力點(diǎn)數(shù)值可以看出，在該工況下，左邊的扭力梁與車(chē)輪連接點(diǎn)向受力和繞向的扭轉(zhuǎn)力矩最大，由于受扭力梁的扭力變形衰減，右邊的扭力梁與車(chē)輪連接點(diǎn)Z向受力和繞向的扭轉(zhuǎn)力矩較左邊均小，與實(shí)際相符，間接證明了動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

表2 工況7扭力梁受力點(diǎn)載荷提取值

2 扭力梁有限元分析

2.1 有限元模型的建立

扭力梁的橫梁為等截面厚度6 mm的V型開(kāi)口薄壁梁，縱臂為厚度為5 mm的空心鋼管，其余部件均為薄壁件。將扭力梁的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Hypermesh中，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理，并將各部件的材料屬性賦予模型的各部件中，各部件的材料相關(guān)信息如表3所示。采用板殼Shell單元對(duì)扭力梁主要零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到27865個(gè)節(jié)點(diǎn)和26204個(gè)單元。根據(jù)各部件的幾何特征和連接方式，采用RBE2和RBE3的焊接處理方式，對(duì)扭力梁各部件的有限元模型網(wǎng)格單元進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，最終得到扭力梁的有限元模型[5-6]，如圖3所示。

表3 各部件材料信息

圖3 扭力梁有限元模型

2.2 強(qiáng)度分析

將從動(dòng)力學(xué)分析中提取的各工況力值加載到有限元模型中，采用von Mises準(zhǔn)則計(jì)算各工況下扭力梁的應(yīng)力，通過(guò)對(duì)比扭力梁關(guān)鍵部位的實(shí)際應(yīng)力和屈服強(qiáng)度，分析各部件強(qiáng)度。由表4可看出，在工況1和工況5的受力條件下，扭梁的強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求，扭梁的縱臂受力均超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，如圖4所示。

表4 各工況分析結(jié)果

對(duì)于一般汽車(chē)部件的強(qiáng)度分析，安全系數(shù)需大于1.0；根據(jù)以上分析結(jié)果，扭力梁整體應(yīng)力分布合理，最小安全系數(shù)小于1.0的位置主要在縱臂焊接區(qū)域，在實(shí)際使用中將出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂導(dǎo)致扭梁失效，需重新優(yōu)化加強(qiáng)該區(qū)域。

圖4 縱臂局部受力圖

2.3 扭梁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選分析及驗(yàn)證

為滿(mǎn)足各工況需求，需要對(duì)各薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理，加強(qiáng)方案主要有增加材料厚度、更換材料、修改部件結(jié)構(gòu)等。由于修改部件結(jié)構(gòu)需要變動(dòng)模具，綜合考慮成本因素，扭梁優(yōu)化方案為更換高強(qiáng)度材料與增加厚度相結(jié)合。

縱臂材料厚度分別為5 mm和5.5 mm，將縱臂材料由20號(hào)鋼分別調(diào)整為35號(hào)鋼、40號(hào)鋼、45號(hào)鋼，分別計(jì)算出縱臂在所有工況中的最小安全系數(shù)，如表5所示，可以看出，除方案1外，其他方案的最小安全系數(shù)均大于1，但考慮到該車(chē)為電動(dòng)車(chē)且后期會(huì)超載，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，選擇最小安全系數(shù)為1.24的方案。優(yōu)選后的方案經(jīng)10000 km強(qiáng)化路試，扭力梁各部件無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，滿(mǎn)足使用要求。

表5 縱臂結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選分析結(jié)果

3 總結(jié)

本文利用軟件ADAMS和HyperWorks對(duì)扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分別模擬了整車(chē)實(shí)際應(yīng)用中的七種工況，并針對(duì)其中強(qiáng)度不足的工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選分析，分析結(jié)果表明參數(shù)優(yōu)選后的后扭梁總成滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。利用虛擬分析軟件對(duì)汽車(chē)部件的各應(yīng)用工況進(jìn)行分析可縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，具有較好的工程應(yīng)用前景。

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Strength Analysis and Structural ParametersOptimization of Torsion Beam of a Vehicle Based on ADAMS and HyperWorks

HUANG Jucheng，GAO Long，ZOU Hongjun，WANG Hanming

( Chery Commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd., Wuhu 241000, China )

In this paper, according to the demand of torsion beam development of a certain type of vehicle, firstly based on the hard point, vehicle and system parameters of the model, the dynamic model of the vehicle is established using ADAMS software, and the stress of the torsion beam under different working conditions is analyzed. And extract the value of each stress point. Then, the force values of each stress point are added to the finite element model of the torsion beam constrained according to the actual working conditions, and the strength of the torsion beam under each working condition is analyzed, and the torsion beam is optimized and strengthened according to the strength analysis to meet the requirements. Demand for various conditions. The analysis results and endurance road test results show that the optimized torsion beam satisfies the requirements for various operating conditions.

torsion beam；ADAMS；strength analysis

U463.33

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.009

1006－0316 (2018) 12－0029－04

2018－06－04

黃巨成（1981－），男，山東菏澤人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事底盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究方面的工作。

高龍（1986－），男，安徽太和人，碩士，工程師，主要從事底盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究方面的工作。