基于有限元法的某8×4重型載貨車車架輕量化仿真分析

胡銳

基于有限元法的某8×4重型載貨車車架輕量化仿真分析

胡銳

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著國(guó)家對(duì)安全、減重、節(jié)能和環(huán)保的重視，重卡輕量化的需求日益迫切。車架作為重卡最大的零部件，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)減輕重量成為輕量化的重點(diǎn)研究對(duì)象。文章基于有限元法對(duì)某8×4載貨車車架進(jìn)行輕量化仿真分析，對(duì)優(yōu)化前后的車架各零部件的安全系數(shù)及總成模態(tài)值進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)方案的可行性。

輕量化；車架；仿真

前言

隨著國(guó)家對(duì)于汽車節(jié)能減排的要求日益提升，輕量化作為節(jié)能減排的重要手段已成為商用車整車開發(fā)的重要課題。商用車車架作為商用車上的重要結(jié)構(gòu)部件，重量一般能達(dá)到整車自重的10%以上。目前國(guó)外重卡如萬(wàn)國(guó)、奔馳等開始采用高強(qiáng)鋼作為縱梁、橫梁材料，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼材料加工技術(shù)的進(jìn)步，在保證車架具有足夠強(qiáng)度和剛度的同時(shí)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。為在重卡車架上應(yīng)用高強(qiáng)鋼材料，實(shí)現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化，采用CAE仿真分析、性能試驗(yàn)、工藝改進(jìn)等手段優(yōu)化重卡車架結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度及可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)[1]。

1 項(xiàng)目范圍

該項(xiàng)目基于某8×4重型載貨車，通過(guò)對(duì)車架總成零部件梳理，根據(jù)整車輕量化要求，確定降重目標(biāo)（不低于自重的10%）；通過(guò)CAE分析工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)車架縱梁、橫梁、支架等材料更換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降重、降成本目的。

表1 車架部分參數(shù)

2 分析過(guò)程

2.1 有限元分析內(nèi)容

（1）最大載荷作用下，考察原車架的位移和應(yīng)力。

（2）考察各個(gè)零件的安全系數(shù)，確定輕量化方案。

（3）最大載荷作用下，考察輕量化車架的位移和應(yīng)力。

（4）考察輕量化車架各個(gè)零件的安全系數(shù)。

（5）考察優(yōu)化前后車架的自由模態(tài)性能，提取前8階模態(tài)。

（6）有限元模型、零件、材料信息。

各橫梁、縱梁和加固板的劃分采用邊長(zhǎng)為10mm的四邊形板殼單元（Shell），圓管梁劃分采用邊長(zhǎng)為5mm的四面體單元（Solid）。車架承受駕駛室、動(dòng)力總成、蓄電池、油箱、貨箱+貨物以及車架自身重力的作用。車架由8個(gè)吊耳以及2個(gè)后橋安裝支座支撐全部載荷，在模型中約束這些位置的全部自由度[2]。

圖2 車架有限元模型

2.2 最大載荷作用下原車架的靜力學(xué)分析

2.3 最大載荷作用下原零件的安全系數(shù)及輕量化方案

表2 原車架輕量化方案

2.4 最大載荷作用下輕量化車架的靜力學(xué)分析及安全系數(shù)

圖4 輕量化車架總成、車架各橫梁應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

表3 輕量化車架各零部件安全系數(shù)

2.5 原車架及輕量化車架的自由模態(tài)分析

圖5 優(yōu)化前后車架前8階模態(tài)

模態(tài)分析就是確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或零部件的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過(guò)程，他是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心。研究的是結(jié)構(gòu)模態(tài)即自由模態(tài)，是結(jié)構(gòu)本身的特性與材料特性所決定的，與外載條件等無(wú)關(guān)（即無(wú)需加載任何載荷和約束），而結(jié)構(gòu)在任意初始條件及外載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)都可以由結(jié)構(gòu)按這些基本特性的強(qiáng)迫振動(dòng)的線性組合構(gòu)成。利用Hyper Works的OptiStruct求解器，采用蘭索斯算法對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)求解。對(duì)整個(gè)車架在計(jì)算時(shí)不施加任何約束，即對(duì)有限元模型進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)提取，得到車架的前八階固有頻率[3]。

表4 輕量化前后車架模態(tài)對(duì)比

（1）車架模態(tài)需要變化平緩，避免頻率耦合，車架低階模態(tài)較為分散，同時(shí)從頻率與階次的遞增中可以看出，車架模態(tài)頻率變化平緩，沒(méi)有突變現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）低階頻率需要避開發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的常用頻率，該載貨車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速在750-850r/min，怠速頻率在27-30Hz之間，一階垂向彎曲和二階扭轉(zhuǎn)均能夠避開該頻段。

（3）車架低階模態(tài)應(yīng)該避開地面不平度的激勵(lì)頻率，一般由路面不平引起的激勵(lì)頻率為1～20Hz的垂直振動(dòng)，該重型載貨車車架的一階垂向彎曲模態(tài)頻率25.82Hz，在垂直方向避開了這個(gè)范圍，避免由路面引起的較大幅度的車架共振現(xiàn)象產(chǎn)生。

（4）需要避開前后懸架頻率，避免共振，載貨車前、后懸架偏頻一般為2-4.5Hz，而該車架的一階彈性模態(tài)頻率為6.89Hz，表明該車架結(jié)構(gòu)能夠避開懸架系統(tǒng)的固有頻率。

（5）需要避開車身頻率，避免共振，車身部分固有頻率一般為10-15Hz，而該車架的一階扭轉(zhuǎn)和一階橫向彎曲模態(tài)正好避開了該頻段，不會(huì)引起車身較大幅度的振動(dòng)[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）車架在最大載荷作用下，優(yōu)化前后的最大位移分別為11.69mm和11.88mm，位于車架末尾；車架最大應(yīng)力出現(xiàn)在后橋支座位置，應(yīng)力值為分別為595.9MPa和598.5MPa，由于仿真分析加載及約束簡(jiǎn)化，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其安全系數(shù)均大于1，說(shuō)明是符合要求的。此外，除縱梁外的零件安全系數(shù)較高，有較大的輕量化空間。

（2）車架原重量約1018.9kg（不計(jì)懸掛件），減重約117.9kg，減重11.6%。輕量化方案主要采用強(qiáng)度較高、厚度較薄的QstE650替換510L，同時(shí)，刪除部分零件。

（3）從模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，輕量化前后車架的前8階自由模態(tài)頻率差別最高為11.83%，最小為1.21%，各階模態(tài)均為平緩過(guò)渡，未出現(xiàn)頻率突變。

通過(guò)以上的仿真分析，對(duì)比了輕量化前后的車架應(yīng)力、應(yīng)變、模態(tài)，分析結(jié)果前后相差較小，為車架輕量化指明了方向，有助于整車的節(jié)能減排。

[1] 李波,王貴勇,申立中,等.車架靜強(qiáng)度分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011.

[2] 汪偉,辛勇.車架有限元建模及模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009.

[3] 崔有山.高強(qiáng)度鋼板在重型載貨車車架制造中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2010.

[4] 王理睿,楊小龍,盧程,等.基于有限元法的車架輕量化設(shè)計(jì)和仿真分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2012.

Lightweight Simulation Analysis of a 8x4 Heavy-duty Truck Frame Based on Finite Element Method

Hu Rui

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the country of safety, energy saving and environmental protection the importance of weight loss, heavy truck lightweight urgent demand. Frame heavy truck parts as the largest, at the same time to meet the strength reduce weight become the focus of the research object of lightweight. Based on the finite element method, the simulation and analysis of the lightweight of a 8×4 vehicle frame are carried out. The safety factor and the assembly mode of each frame before and after optimization are compared and the feasibility of the scheme confirmed.

Lightweight; Frame; Simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.024

U463.32

A

1671-7988(2021)03-80-03

U463.32

A

1671-7988(2021)03-80-03

胡銳，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。