CAE技術在汽車車架設計中的應用

孟麗 泰安航天特種車有限公司

隨著社會的發展，汽車的數量逐漸增多，車架在汽車的整體結構中起著重要的作用。因此，必須重視車架的設計質量，商用車是一種用于汽車運送的車輛。它的性能直接影響到汽車的使用壽命和汽車工業的未來發展。其設計和技術特點分為貨車和客車。本文根據車輛的總體布置，利用有限元分析軟件對某商用牽引車車架進行力學性能分析，了解車架的力學特性。檢查強度是否符合要求。

一、車架構成及分析方法的確定

1.車架結構。邊梁式是車架的主體結構，組成是縱梁兩根橫梁若干。箱形結構是縱梁斷面。第一梁采用管狀結構，梁的兩端用螺栓固定在縱梁上；兩中間梁為支承截面梁，結構兩端用螺栓固定在縱梁上。平衡軸上的梁為支承截面梁結構，與縱梁連接處的加強板，平衡軸用螺栓固定在縱梁翼；尾梁為箱型結構；變速箱下的盆梁用螺栓連接在縱梁下翼板。

2.確定分析方法的。目前，CAE技術已成為工程制造業的主要支撐技術，對提高設計質量、降低研發成本起著重要作用；本文利用有限元分析軟件進行分析研究。

二、有限元分析

車架作為整車的核心部分，承受著和傳遞著道路和裝載的各種復雜載荷，并且汽車上許多重要的總成都是以車架為載體的，因此車架必須具有足夠的強度和剛度。本文進行了建模工作，闡述了分析方法，并根據汽車的實際情況進行了深入的分析，從而對確定汽車車架的設計質量，起到一定的作用。

1.建立有限元模型。為了對車架進行有限元分析，首先要建立車架的有限元模型。利用CAE軟件對車架及其主要附件進行三維結構建模。它必須代表實際車輛的結構特性，如梁部件的測量和受力特性，以底盤及其附件的質量為重心，利用重心位置進行模擬，在不影響分析結果精度的情況下，根據實際情況簡化車架模型，以提高網格劃分質量和計算效率。為以后的分析工作奠定了基礎。對于輪胎和車架路面邊界，通常采用剛性對輪胎進行建模，以明確輪胎的受力束縛性，鋼板彈簧由兩個不同剛度的彈簧單元模擬，由不同界面的梁單元連接，使不同的鋼板逐漸形成一個完整的系統。

2.施加載荷與約束。在日常行駛中，特別是在復雜的道路條件下，車輛荷載通常會發生變化，如在不同工況下（如滿載、扭轉、彎曲等工況），會出現側向與縱向荷載的變化，因此車架會形成側向與縱向荷載，設計中應考慮的因素之一是約束主要是指從地面傳給車架的力的不同性質，以及在不同條件下產生這些力的特殊條件。前后懸與車架的連接位置限制，對車架本身形成一定的約束力。

3.工況選擇。在選擇工況狀態時，靜載荷分析有四種不同的情況：一是車輛滿載靜止，二是車輛右轉或滿載靜止。第三工況是車輛處于扭轉狀態，即滿載狀態；第四工況是車輛在滿載靜態制動過程中受到制動速度和垂直加速度的限制。

4.分析結果。結合相關軟件，計算出車架的靜態安全系數，并與上述四種不同工況下的材料安全系數進行比較，從而有效確定車架在特定工況下的安全系數。在某些情況下，車輛處于安全狀態：在第一種狀態下，車輛處于安全狀態在垂直方向沖擊和各種壓力作用下，車架通常會有不同程度的彎曲，因此靜態安全系數的取值也會發生變化。分析表明，梁的最小靜態安全系數為1.007。它大于材料本身的安全系數，所以在這種情況下，車架受到垂直沖擊時，是安全可靠的，能夠保證車輛的平穩運行。第二種工況也就是說，當車架滿載時，應同時進行轉向。此時應考慮側向加速度對結構本身強度的影響和車架靜態安全系數的變化，梁的最小靜安全系數為2.135，高于材料本身的靜安全系數。當車輛處于轉彎狀態時，整個結構安全可靠。第三種工況時，車輛的左前輪和右后輪各為0.15米的抬升。在這種情況下，車架的扭轉和彎曲應力相對較高，因此車架本身的靜態安全系數也會降低。經分析，縱向梁的最小靜安全系數為0.444。這低于材料本身的安全系數。因此，車架扭轉時，不可靠的。當車輛處于第四工作狀態時，應考慮制動速度對車架的影響，并分析相應的靜態安全系數值。分析結果表明，縱梁的最小靜安全系數為1.91。這高于材料本身的安全系數，所以當車輛處于這種狀態時，是安全可靠的。

近年來，我國經濟社會發展的空前步伐和人民生活質量的提高，也促進了汽車工業的發展和道路車輛數量的增加。車輛的使用壽命和安全性已成為關鍵。在汽車系統中，車架是主要的支撐結構。因此，相關設計人員應注意車架設計的效率和有效性，并利用相關軟件對不同工況進行深入分析。汽車車架CAE技術有助于提高汽車安全系數的可靠性和穩定性。隨著CAE技術的不斷發展和完善，CAE技術將在形態結構上取得突破。闡述CAE技術在汽車發展中日益重要的作用。