基于CAE的汽車車架強度及模態分析

關鍵詞：汽車車架；載貨車車架；CAE；強度分析；模態分析

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.006

Strength and Modal Analysis of Automobile Frame Based on CAE

Abstract： Almost all assembly parts of the car are installed on the frame assembly through the bracket， such as the cab， engine， fueltank， battery and so on. Frame assembly is one of the most important assembly in the car， it bears the mass of the major assembly andthe bending moment and longitudinal force generated， uneven road will also make the frame produce torsion Angle， so the frame needsto have enough strength. In this paper， the strength analysis model of truck frame is established by CAE finite element analysis method.The boundary conditions and calculation methods of frame vertical， front torsion， back torsion， counter torsion and side were determined，which provided a theoretical basis for frame structure design.

Key words：Automobile frame；Truck frame；CAE；Strength analysis；Modal analysis

0引言

在汽車車架產品的設計開發階段，常采用CAE分析方法，以模擬汽車的實際使用工況，進而分析車架的強度[1]。這種方法能夠及時發現設計方案中存在的強度不足部分，從而進行針對性的局部優化，以提升車架的質量和強度。通過利用CAE分析手段，可以省去一些耗時且耗力的整車及車架總成驗證試驗，進而縮短開發周期，提升設計效率。

本文以某款6×2載貨車車架為研究對象，借助CAE仿真分析技術，計算車架在各個工況下的應力分布情況以及最小安全系數等參數。這些參數將作為車架結構設計的參考及指導依據，以確保車架的強度能夠滿足整車的性能及強度要求[2]。

1有限元軟件的使用

在本文中，我們選擇了HYPERMESH作為強度計算分析的前處理器，ABAQUS和FEMFAT作為強度計算的求解器，而HYPERVIEW則被用作強度分析的后處理器。

2CAE仿真的主要流程

根據任務背景、項目要求以及車架模型的具體輸入，首先確定仿真分析的輸入條件。接著，針對車架模型的不同結構特點，進行相應的網格劃分。在模擬連接裝配時，需依據車架與其他零部件總成的實際裝配形式進行。隨后，對各結構部件施加材料信息、定義接觸對、施加約束及載荷、明確工況定義以及輸出變量定義等，并對所設定的文件內容進行全面的檢查。文件準備就緒后，提交到求解器進行運算，并對求解后得到的計算結果文件的正確性進行檢查。根據運算結果，可以獲得應力、靜安全系數、模態等關鍵數據。接下來，按照預設的評價項進行結果后處理，得到評價項結果，并對其進行分析評價。最后，根據報告的格式要求，進行報告的編寫、校審及歸檔工作。

3有限元模型的建立

將6×2載貨車車架的三維模型轉換為STP文件格式，并導入到HYPERMESH中進行前處理工作[3]。具體步驟如下：（1）車架總成的縱梁、橫梁、橫梁連接板等部件均采用板殼單元進行模擬；（2）駕駛室懸置支架、動力總成懸置托架、前軸、懸架大支架等部件均采用四面體單元進行劃分；（3）駕駛室、發動機、油箱、蓄電池等大型部件采用質量（mass）單元進行模擬，并與車架一起建立成一個單元SET集合，以便于后續的加載操作。

在網格劃分大小時，板殼單元網格采用8mm的四邊形和三角形單元進行劃分；實體單元網格則采用5mm的四面體單元。對于倒角處，斷面網格數應不低于4，厚度方向的網格數也應確保不低于4，以保證網格的質量和精度。

4有限元模型的材料屬性

前處理階段，需為車架縱梁、橫梁、橫梁連接板、板簧支架等部件賦予材料屬性。具體材料參數見表1。

5有限元模型的邊界條件

根據6×2載貨車車架的受力特點，貨物質量以均布載荷的形式加載到車架及副車架上。駕駛室、發動機、油箱、蓄電池等主要總成，在相應幾何重心處模擬為質量單元[4]。各總成質量見表2。

車架垂直、前扭轉、后扭轉、對扭、側向等工況下的邊界條件約束見表3。整車坐標系方向說明：豎直向上為Z向，從車頭指向車尾為X向，Y向遵循右手螺旋定則確定。動荷系數與整車坐標系方向相同為正，反之為負。

6強度仿真分析結果

各工況仿真計算結果見表4。從表4可以看出，車架總成在垂直、前扭轉、后扭轉、對扭、側向等工況下，縱梁、橫梁、橫梁連接板等部件的應力分布滿足強度要求，且最小安全系數均大于1，表明此車架總成能夠滿足整車的使用強度要求。

6.1垂直工況

垂直工況下的約束條件為：前軸左輪約束Y、Z方向自由度，右輪約束Z方向自由度；中軸左、右兩輪約束Z方向自由度；后軸左、右兩輪約束X、Z方向自由度。車架總成最小安全系數的計算結果見圖3。

6.2前扭轉工況

前扭轉工況的約束條件如下：各車輪接地點所受的約束條件與垂直工況時相同。對于前軸，左輪接地點在Z方向上被強制施加一個+150mm的位移，而右輪接地點在Z方向上則被強制施加一個-150mm的位移。車架總成在這種工況下的局部最小安全系數計算結果如圖4所示。

6.3后扭轉工況

在后扭轉工況下，約束條件設定如下：各車輪接地點的約束條件與垂直工況保持一致。具體而言，后軸左輪接地點Z方向上被強制施加一個+150mm額度位移，而后軸右輪接地點Z方向上則被強制施加一個-150mm的位移。車架總成局部最小安全系數計算結果見圖5。

6.4對扭工況

在對扭工況下，約束條件具體設定如下：各車輪接地點約束與垂直工況相同，前軸右輪接地點Z方向強制位移+300mm，后軸左輪接地點Z方向強制位移+300mm。車架總成局部最小安全系數計算結果見圖6。

6.5側向轉彎工況

在側向轉彎工況下，車輪的約束條件如下：前軸左輪約束Y、Z2個方向的自由度，右輪僅約束Z方向的自由度；中軸左輪同樣約束Y、Z2個方向的自由度，右輪也僅約束Z方向的自由度；后軸左輪約束X、Y、Z3個方向的自由度，右輪約束X、Z2個方向的自由度。車架總成在側向轉彎工況下的局部最小安全系數計算結果見圖7。

7模態仿真分析結果

車架總成前三階模態仿真結果如表5所示。

車架模態仿真結果為自由模態，設計時關注的振型主要包括1階扭轉、1階水平彎曲、1階垂直彎曲、局部陣型及2階陣型等。車架系統的模態由車架的剛度和質量綜合決定，對整車的NVH性能有一定影響。

車架的低階頻率應高于懸架系統的固有頻率，以避免共振現象。懸架結構通常的偏頻范圍為1.5～3Hz。車架總成中存在許多局部不規則的陣型，這些陣型應盡量避開駕駛室懸置、擋泥板支架等懸臂類部件的安裝點，同時模態值也應避開發動機怠速狀態下的激振頻率、常見路面激勵頻率以及常用轉速下發動機的激振頻率。

8結論

基于CAE對車架強度及模態的分析，能夠識別車架總成強度的不足之處，并指出模態進一步優化的方向[5]。通過優化縱梁斷面、縱梁加強板、橫梁結構形式、橫梁布置位置以及橫梁連接板形式等，可以對車架強度進行進一步優化。關于車架的具體優化措施及優化后的仿真分析結果，本文不作詳細描述。本文根據工作實踐，總結了車架強度及模態仿真分析的主要流程及關鍵注意事項，供相關設計人員參考。