某輕型載貨車車架輕量化分析

錢玉蘭

摘 要：根據項目組的要求，對某輕型載貨車車架進行輕量化驗證分析。文章基于有限元法，運用Hypermesh、Nastran等有限元計算分析軟件，建立車架有限元模型，對車架進行模態及扭轉模量分析，在垂向彎曲工況、緊急轉彎工況、過坑扭轉工況、緊急制動工況四種惡劣工況模式下對車架進行強度校核分析，通過對優化前后分案的分析對比，優化后方案的模態、扭轉模量與優化前相當，強度方面優于優化前方案。分析結果表明，新方案模型可以替代原方案模型，輕量化設計成功減重27Kg，約為優化前質量的9.7%。關鍵詞：載貨車;車架;輕量化;有限元分析中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-77-03

Abstract： According to the requirements of the project team， the lightweight analysis of a light truck frame is carried out. Based on the finite element method， the finite element model of the frame is established by using the finite element calculation and analysis software Hypermesh and Nastran. The modal and torsional modulus of the frame are analyzed. The strength of the frame is checked under the vertical bending condition， the emergency turning condition， the pit-crossing torsion condition and the emergency braking condition. The analysis shows that the mode and torsion modulus of the optimized scheme are comparable to those of the pre-optimized scheme， and the strength of the optimized scheme is better than that of the pre-optimized scheme. The analysis results show that the new scheme model can replace the original scheme model. The weight loss of the lightweight design is 27Kg， which is about 9.7% of the pre-optimization quality.Keywords： Truck; Frame; lightweight; FEACLC NO.： U467? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-77-03

前言

對于卡車而言，車架是汽車的載體，承載著動力系統、 駕駛室、傳動系統、轉向系統、上裝載貨物等。在保證其強度和剛度需求的基礎上，降低車架總成的重量，不僅可以減少材料用量降低成本，同時可以提高用戶收益，創造經濟價值。商用車車架均為鋼材，占整車質量比重較大，傳統設計為保證承載能力，過于保守導致重量過大[1-2]。

本文以某載貨車車架為例，根據項目組的輕量化要求，對車架進行輕量化優化分析，通過有限元軟件，對模型進行離散，建立有限元模型，考察優化后模型的模態剛度，并考察垂向工況、轉彎工況、扭轉工況制動工況下其性能是否滿足要求。通過分析，優化后的車架減重明顯，且各方面性能都能滿足使用要求，達到項目組輕量化目標。

1 車架有限元建模

某輕型貨車車架原方案為：車架縱梁料厚為6mm，車架材料為510L。新方案為：車架縱梁料厚為4.5mm，車架材料為某高強鋼。

對兩個方案模型進行離散，建立其有限元模型：

1.1 網格劃分

車架鈑金件使用殼單元模擬，網格基準尺寸設為10mm，根據模型結構特點，圓角等部位局部網格尺寸細化，半徑大于8mm的，使用多排單元網格劃分，翻邊寬度大于10mm的生成2排以上單元。鑄件采用四面體單元模擬，網格基準尺寸設為4mm。

螺栓孔周圍需要做擴孔處理，孔的節點數需為偶數。確定為鏡像件的模型要通過鏡像網格生成整體網格。網格要求連續、均勻、美觀，三角形單元網格比例小于5%，滿足網格質量檢查要求，網格質量標準以不破壞模型特征為前提。

模型中不允許有自由節點、重復單元、有自由邊存在，且殼的法向要求一致。

1.2 部件連接

CO2保護焊連接，保持焊縫處連接件的網格節點一致，即節點具有相互投影關系。通過點對點形式的RBE2依次連接件的節點，如圖1所示。

螺栓連接方式是采用剛性單元RBE2和梁單元CBEAM組合模擬。轉動副用RBE2單元釋放軸向旋轉自由度來模擬。車架上安裝的動力總成、駕駛室、配載、電瓶箱、油箱、備胎等以質量點代替。鋼板彈簧使用等效矩形截面梁單元模擬。

車橋參照原模型外形輪廓使用近似截面梁單元模擬。主副車架之間采用gap單元模擬接觸，通過長桿螺栓緊固。輪胎采用彈簧spring單元模擬。車架強度分析有限元模型如圖2所示。

2 輕量化方案定義

車架及附件采用的材料均為鋼材，其彈性模量為2.1E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9Ton/mm3，測量出各個部件的實際厚度賦予相應的部件單元屬性。板簧支架采用的材料為鑄鐵，其彈性模量為1.7E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9Ton/mm3。

3 分析工況

3.1 模態分析工況

車架不施加任何約束，計算自由模態。

3.2 扭轉模量分析工況

約束前懸架板簧中心連線中點Z向平動自由度，約束后懸架平衡軸支座處X、Y、Z方向平動自由度。前懸架左右板簧中心處施加大小相等方向相反的10000N垂向力。

3.3 強度分析工況

3.3.1 垂向工況

左前輪約束X、Y、Z方向平動自由度，右前輪約束X、Z向平動自由度，后輪約束Z向平動自由度。約束位置在輪胎接地點。車架整體施加Z向-3.5g重力，模擬過減速帶時，車架受到垂向載荷作用下的響應情況。

3.3.2 轉彎工況

左前輪約束X、Z向平動自由度，右前輪約束Z向平動自由度， 后輪約束Z向平動自由度，車架接地彈簧與地面連接的一端約束Y向平動自由度。車架整體施加Z向-1g，Y向0.4g加速度。用于模擬整車緊急轉彎時，車架受到垂向載荷和縱向載荷的綜合作用下的響應情況。

3.3.3 扭轉工況

左前輪約束X、Z向平動自由度，右前輪約束X、Y、Z向平動自由度，后輪約束Z向平動自由度，左前、右后輪胎抬高150mm。車架整體施加Z向-1g重力。用于模擬整車過不平路面時，車架受到的扭轉作用下的響應情況。

3.3.4 制動工況

車架不施加約束。車架整體施加Z向-1g，X向-1g加速度，計算出各輪胎支反力，將支反力施加到輪胎接地點，采用慣性釋放方法計算。用于模擬整車緊急制動時，車架受到垂向載荷和縱向載荷的綜合作用下的響應情況。制動工況輪胎載核如表1所示：

4 計算結果及分析

4.1 模態分析結果

對兩個方案車架進行模態分析，原方案模態振型云圖如圖3所示，圖示左為原方案一階扭轉模態，模態頻率為10.17Hz。圖示右為原方案一階彎曲模態，模態頻率為30.81Hz。新方案模態振型云圖如4所示，圖示左為原方案一階扭轉模態，模態頻率為10.24Hz。圖示右為原方案一階彎曲模態，模態頻率為28.90Hz，較原方案變化不大。

表2為原方案和新方案的模態結果對比表，通過對比可以得出：兩個方案模態振型相似，頻率相近，由此斷定，在模態分析結果中，新方案對模型產生的影響可以忽略。

4.2 扭轉模量分析結果

如圖5所示，圖中顯示為該車架在前輪輪心處加載±10000N時加載點處的扭轉角度，原模型加載點處變形角度為0.040，新模型加載點處變形角度0.050，角度有所增加。將扭轉角度帶入公式計算求得兩個方案的車架扭轉模量。

帶入公式（1）計算可得，原方案扭轉模量為7.79E6 mm4，新方案扭轉模量為6.32E6mm4。

式中：It、Mt、l、G、θ分別表示扭轉慣性矩（mm^4）、前軸扭矩（N/mm）（或前部加載點間的扭矩）、前后輪距（mm）（或約束點加載點間的距離）、剪切模量（N/mm^2）、扭轉角度（rad）。

通過對比得出，扭轉剛度略有降低，但是滿足評價指標（>3x10?6mm?4，此評價指標參考行業內經驗得來）。

4.3 強度分析結果

分別對改進前后車架模型進行強度分析，計算結果如下：

圖6為原方案各工況下最大應力點處應力云圖，依次是垂向彎曲工況、轉彎工況、扭轉工況和制動工況的應力云圖，最小安全因子都大于1，其中扭轉工況安全因子最小，為1.14;圖7為新方案各工況下最大應力點處應力云圖，依次是垂向彎曲工況，轉彎工況，扭轉工況和制動工況的應力云圖，最小安全因子都大于1，其中轉彎工況安全因子最小，為1.26。

把分析結果整理到表格中，如表3所示，原方案和新方案車架在各工況下最小安全因子對比表。從對比分析結果中可以看出，各個工況下，新方案較原方案安全因子都有所提升，扭轉工況下安全因子增幅達到15%，新方案的結構強度是優于原方案。

從以上分析結果可以得出，新方案能夠滿足使用要求，新方案模型可以替代原方案模型。

5 思考與結論

通過對比分析得出：

新方案模型的模態與原方案模型的模態陣型相似，頻率相近，新方案在模態分析結果中對模型產生的影響可以忽略。

新方案模型的扭轉模量略低于原方案模型的扭轉模量值，但是滿足評價指標。

新方案模型的強度優于原方案模型。

由此得出，新方案可以替代原方案，同時新方案車架模型質量（251.7Kg）相比原方案車架模型的質量（278.7Kg）減少了27 Kg，減少9.7%，降重效果明顯，優化方案模型已被采納，并應用到實車設計中。

通過本次的分析驗證，本次優化的整個過程可以為車架的設計提供了一種思路和方法，為深入進行車架的輕量化奠定了基礎。

參考文獻

[1] 王超，苗永.某商用車車架輕量化設計[J].汽車實用技術，2018（21）.

[2] 王勖成，有限單元法[D].清華大學出版社，2003.