基于有限元分析的某輕卡縱梁連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

黃 康，祝 慧，朱紀(jì)成，王亮亮，郁煥敬

基于有限元分析的某輕卡縱梁連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

黃 康，祝 慧，朱紀(jì)成，王亮亮，郁煥敬

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

以某輕卡縱梁連接板為研究對(duì)象，其“拐點(diǎn)”應(yīng)力值超出材料屈服極限，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大。基于有限元仿真分析，分別采用兩種優(yōu)化方案對(duì)其“拐點(diǎn)”區(qū)域進(jìn)行球化處理，均使最大應(yīng)力值低于材料屈服極限。經(jīng)驗(yàn)證分析可知，兩種優(yōu)化方案分別使最大應(yīng)力下降45.3%和54.8%，方案二效果更佳。

縱梁連接板；輕卡；有限元分析；應(yīng)力值；球化處理；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

國(guó)內(nèi)平頭卡車(chē)結(jié)構(gòu)大同小異，地板縱梁前端連接板是駕駛室與車(chē)架的搭接件，同時(shí)承擔(dān)著駕駛室的質(zhì)量和前翻轉(zhuǎn)的扭力以及來(lái)自車(chē)架的沖擊力。在可翻轉(zhuǎn)輕卡駕駛室的設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們往往把關(guān)注點(diǎn)集中在前翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和扭桿參數(shù)設(shè)計(jì)上[1]，而忽視了與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)搭接的縱梁連接板。由于其所處部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其型面設(shè)計(jì)不可避免得有急劇變化的區(qū)域，這部分區(qū)域受力狀態(tài)及其復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高。而更多的汽車(chē)廠(chǎng)商會(huì)選擇使用性能更優(yōu)越的板材制造該連接板，其代價(jià)則是更高昂的成本[2]。使用普通板材制造縱梁前連接板則需要進(jìn)一步深入挖掘，本文以此為課題，針對(duì)某款車(chē)型的駕駛室縱梁連接板設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 縱梁連接板結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的影響因素

通常平頭駕駛室質(zhì)量約450 kg，由于前翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，駕駛室連接板局部區(qū)域受力則會(huì)提升至10倍[1]。在此嚴(yán)苛的工作環(huán)境或試驗(yàn)環(huán)境中，連接板會(huì)產(chǎn)生失效的現(xiàn)象，裂紋從最大應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生并逐漸擴(kuò)展，如圖1所示。因此，對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高。

圖1 某縱梁連接板裂紋

縱梁連接板的服役環(huán)境使其處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，因此，其強(qiáng)度影響因素較多，主要包括連接板各搭接面夾角、倒角半徑、多面搭接點(diǎn)的球化特征、倒角與孔邊距、連接板材料與厚度等[3]。

縱梁連接板的倒角中部通常有兩個(gè)“拐點(diǎn)”，即圖1中出現(xiàn)裂紋區(qū)域。該“拐點(diǎn)”為四面搭接處。通常在多面搭接點(diǎn)處的倒角會(huì)出現(xiàn)不同程度的畸變，且過(guò)渡面不夠平滑，成為應(yīng)力集中點(diǎn)[4]。多面搭接點(diǎn)有時(shí)因沖壓深度過(guò)大，而導(dǎo)致沖壓缺陷，因此，對(duì)該多面搭接點(diǎn)的合理優(yōu)化（通常為球化處理）尤為重要。

2 強(qiáng)度的仿真分析

某縱梁連接板材質(zhì)為SPCC 2.0 mm，其強(qiáng)度仿真分析最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在“拐點(diǎn)”，如圖2(a)中所示處，最大應(yīng)力值分別為40.6、27.8、205.5 MPa，大于SPCC材質(zhì)屈服強(qiáng)度[5]（195 MPa），開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 原縱梁連接板

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)縱梁連接板的四面搭接點(diǎn)處型面特征進(jìn)行優(yōu)化，如圖3、圖4所示。圖3(a)所示方案一對(duì)兩個(gè)“拐點(diǎn)”分別做球化處理[6]，從數(shù)據(jù)上看，“拐點(diǎn)”上部線(xiàn)條過(guò)渡仍存在彎曲部分，用于避讓圓孔，使孔到倒角邊距離滿(mǎn)足要求。圖4(a)所示方案二對(duì)兩個(gè)“拐點(diǎn)”及中間部分整體做球化處理，“拐點(diǎn)”上部線(xiàn)條過(guò)渡平直，且圓孔上移3 mm避讓該線(xiàn)條，使孔到倒角邊距離滿(mǎn)足要求。

圖3 縱梁連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一

圖4 縱梁連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二

4 分析驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化方案一和方案二進(jìn)行仿真分析如圖3、圖4所示，最大應(yīng)力點(diǎn)仍出現(xiàn)在四面搭接處，即“拐點(diǎn)”處。方案一在三種工況[7]下最大應(yīng)力值分別為53.3、72.4、112.5 MPa；方案二在三種工況下最大應(yīng)力值分別為48.8、72.4、92.8 MPa。優(yōu)化方案一和方案二均能達(dá)到改善零部件應(yīng)力分布的目的，最大應(yīng)力值均小于材料屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足要求。兩種方案的最大應(yīng)力值下降率分別為45.3%和54.8%，方案二效果更好，分析結(jié)果如表1所示。

表1 仿真分析結(jié)果

序號(hào)縱梁連接板材料屈服強(qiáng)度/MPa最大應(yīng)力值下降率 制動(dòng)1g轉(zhuǎn)向1g垂直沖擊3.5g 1原件40.627.8205.5 2優(yōu)化方案一53.372.5112.545.3% 3優(yōu)化方案二48.872.492.854.8%

5 結(jié)論

以某輕卡縱梁連接板為研究對(duì)象，有限元仿真分析結(jié)果顯示，在垂直沖擊3.5工況下，其“拐點(diǎn)”區(qū)域應(yīng)力值超出材料屈服極限，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大。對(duì)“拐點(diǎn)”進(jìn)行兩種方案球化處理，均使最大應(yīng)力值降低到材料屈服極限以下，且方案二效果更好。

[1] 馬庸,張春,陳振,等.基于HyperWorks的商用車(chē)駕駛室懸置前懸翻轉(zhuǎn)臂的輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)零部件, 2022(8):16-21.

[2] 董勇峰,王博,郭浩.某輕卡駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020,45(21):49-51.

[3] 馬鵬飛,陳鵬程,王鵬,等.關(guān)于輕型卡車(chē)車(chē)身前懸固定螺栓斷裂原因分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020,45(11): 145-148.

[4] 顏寧.某輕卡駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].汽車(chē)世界,2020(10):36.

[5] 高峰,武炳煥.載重汽車(chē)駕駛室懸置翻轉(zhuǎn)支架的輕量化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].鑄造工程,2020(1):9-15.

[6] 葉平.汽車(chē)正面碰撞前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].上海汽車(chē), 2013(10):22-25.

[7] 楊震.駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].輕型汽車(chē)技術(shù),2017(6):37-42.

Optimization and Verification of a Light Truck Longitudinal Beam Connecting Plate Structure Based on Finite Element Analysis

HUANG Kang, ZHU Hui, ZHU Jicheng, WANG Liangliang, YU Huanjing

( Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 230601, China )

Taking a light truck longitudinal beam connection plate as the research object, its "inflection point" stress value exceeds the material yield limit, and the cracking risk is high.Based on the finite element simulation analysis, two optimization schemes are adopted to spheroidize the inflection point area, which reduces the maximum stress to below the material yield limit.According to the test and verify empirical analysis the two optimization schemes reduce the maximum stress by 45.3% and 54.8% respectively, and the effect of scheme two is better.

Longitudinal beam connection plate;Light truck;Finite element analysis;Stress value; Spheroidize;Structure optimization

U463.99

A

1671-7988(2023)18-52-04

黃康（1985－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)白車(chē)身、貨箱和防護(hù)件結(jié)構(gòu)及輕量化設(shè)計(jì)，E-mail: huangk@jac.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.011