汽車車架縱梁開裂CAE分析及改進設計

摘 要：本文首先進行了汽車車架縱梁開裂CAE分析，其次提出了汽車車架縱梁改進設計方式，在分析汽車車架縱梁開裂原因的基礎上，改進汽車車架縱梁開裂相關聯結構設計方式，以此來消除汽車車架縱梁開裂問題，進而提高汽車車架縱梁相關聯結構質量，確保行車安全，同時降低汽車的維修概率和費用。

關鍵詞：汽車車架;縱梁開裂;CAE分析;改進設計

0 引言

本文選擇的研究車型為某越野車，該車型的前懸架為扭桿式雙橫臂獨立懸架，后橋為四連桿可變剛度螺旋彈簧整體橋式，這種結構能夠確保越野車的駕駛性能，同時還能確保駕駛人員的舒適程度，但是在車型試運行過程中，發現汽車車架縱梁容易出現開裂問題，為此，本文針對這一問題進行CAE分析及改進設計。

1 汽車車架縱梁開裂CAE分析

1.1 建立CAE分析模型

本文對傳統的車架結構CAE分析模型進行了簡化處理，具體是省略了部分非承載構件，以荷載作用點為單元節點。通常情況下，在對汽車進行CAE分析時，大部分選擇梁單元模型，這是因為梁單元模型能夠更好的模擬變形效果，但是其應力分析效果是有限的。此外，梁單元并不能描述復雜的車架結構，同時還會忽略扭轉操作導致的截面變形，因此，應用梁單元模型作為CAE分析模型得到的計算結果并不準確[1]。為此，本文為了得到更加精確的計算數據和結果，選擇應用shell單元模型為CAE分析模型，在結合本次實驗車型結構進行簡化處理后，到了得到了最終的CAE分析模型。

單元網格劃分及單元規模是影響CAE分析模型計算結果精確程度的重要因素之一，本文應用的大部分單元網格規格為8cm×8cm，此為一般單元;針對部分特殊結構，如連接位置、截面變化位置等應力集中位置，應用的單元網格規格為2cm×2cm，此為細化單元;一般單元與細化單元之間相連接的位置應用三角形板單元，此為過度單元。圖1為CAE分析模型示意圖，本文開展的CAE分析和車架靜應力分析均在此模型的基礎上開展。

本文的研究重點是汽車車架縱梁開裂，因此，應用了專門的軟件對扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置的強度進行了CAE分析，旨在找出開裂原因。

1.2 簡化和加載邊界條件載荷

想要開展車架靜應力分析，需要考慮到車架的約束狀況，這樣才能有效的去除掉研究過程中的剛體位移，進而確保實驗結果不受外界因素的影響。考慮到本文需要分析扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置的強度，因此，將邊界約束點設定在了車架縱梁上，這樣懸架和車架之間相連接的地方便位于水平面上，并且會沿著水平面上的方向移動，這樣根據x軸、y軸方向的移動自由度便可以判定出車架的剛性約束;根據z軸方向的移動自由度便可以判定出車架的彈性約束。需要注意的是，在上述過程中，約束點之外的自由度均未加約束，即x軸、y軸、z軸方向的移動自由度未加約束。

在簡化和加載邊界條件載荷之后，車架受到的外載荷便能夠通過簡化被轉換為作用在車架相應位置的內在載荷，并且兩種載荷在轉換前后是相等的[2]。而經過載荷簡化后，作用在縱梁和扭桿彈簧支架上的載荷主要指的是扭桿彈簧前獨立懸架會將地面與輪胎之間的反作用力傳遞給車架。此時，結合本文研究的越野車車型的野車前輪跳動量，便能夠計算出扭桿彈簧的扭轉角度和扭桿彈簧的剛度，進而計算出扭桿彈簧傳遞給車架的地面與輪胎之間的反作用力，而地面與輪胎之間的反作用力方向與扭桿彈簧的方向為相互垂直關系。

1.3 計算結果

當本文研究的越野車車型的野車前輪跳動量為20cm時，按照上述計算流程，扭桿彈簧的扭轉角度為31°，結合公式M=Kφ（M為力矩，K為扭桿彈簧剛度，φ為扭轉角度），便可以計算出扭桿彈簧傳遞給車架的地面與輪胎之間的反作用力矩;結合公式F=M/R（F為作用力，R為力臂），便可以計算出扭桿彈簧傳遞給車架的地面與輪胎之間的反作用力。結合上述計算數據，便可以得到扭桿彈簧支架位置能夠承受的最大應力和位移數值。

下面結合計算數據，對扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置的強度進行具體分析。扭桿彈簧支架尾部的位移距離最大，能夠達到23.3cm;扭桿彈簧支架焊接位置的應力最大，能夠達到376MPa;扭桿彈簧支架與縱梁連接位置時應力最為集中的位置，這是因為扭桿彈簧支架與車架縱梁連接方式為焊接;車架縱梁材料16MnL，其屈服極限為350MPa，疲勞極限為300MPa，而最大應力需要小于屈服極限和疲勞極限，本次車型的最大應力超過了屈服極限和疲勞極限，這正是導致汽車車架縱梁開裂的主要原因。

2 汽車車架縱梁改進設計

想要避免汽車車架縱梁開裂問題，需要增加扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置的強度，具體可以應用增加焊接元件厚度的方式，但是不能消除焊接位置的應力，只能改善焊接位置應力集中的情況[3]。扭桿彈簧扭轉時，焊接位置承受的應力如果能夠為彎曲剪切力，材料的拉應力也會增加的情況下，需要轉換焊接位置的受力情況，例如用板件連接扭桿彈簧尾部等，這樣便能夠起到轉換扭桿彈簧連接位置應力類型的效果，進而避免斷裂問題。

3 結束語

導致汽車車架縱梁開裂的主要原因是扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置應力集中，在這一結論的基礎上，對汽車車架縱梁開裂相關聯結構進行了改進設計，隨后再進行CAE分析，結果顯示，改進設計方式的應用能夠有效消除扭桿彈簧支架與車架縱梁焊接位置應力集中情況，進而避免汽車車架縱梁開裂問題。

參考文獻：

[1]羅明軍，王文林，程思遠.汽車車架縱梁開裂CAE分析及改進設計[J].拖拉機與農用運輸車，2017（3703）：104-106.

[2]邱垂翔，林濟余，胡慧慧.某輕型商用車車架斷裂CAE分析及改進方法[J].CAD/CAM與制造業信息化，2018（07）：75-78.

[3]蘇和堂，趙玉霞，陳黎卿.乘用車懸架系統開裂原因分析與結構優化[J].山東交通學院學報，2017（2504）：1-5+31.

作者簡介：程思遠（1985-），男，江西浮梁人，研究生，中級工程師，研究方向：汽車有限元分析及其實際應用。