基于HyperWorks有限元分析的某重型商用車車架輕量化縱梁結構及性能研究

鮑偉東，王曉龍，苗永

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基于HyperWorks有限元分析的某重型商用車車架輕量化縱梁結構及性能研究

鮑偉東，王曉龍，苗永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

對于重型商用車來說，車架縱梁的結構形式與其裝載貨物的類型和重量密切相關，車架縱梁的結構形式對車架的承載能力、抗扭性能起著非常重要的作用。文章針對新開發的高強鋼、單層梁車架開展CAE仿真分析，并與現有的雙層梁結構的車架進行對比，最終確定單層梁車架的模態、剛度、強度滿足標載車型的使用要求。

輕量化；車架；縱梁；強度；剛度

引言

隨著社會經濟的不斷發展，用戶對重型商用車的認識已不僅僅局限于簡單的物流工具，他們對于車輛性能的要求越來越高。用戶不僅要求在法規允許的總質量條件下貨運量更大，還要求車輛具有較高的可靠性和舒適性。車架是整個車輛的裝配基體，是用來支撐、連接車輛各零部件、承受來自車輛內外各種載荷的關鍵總成，良好車架結構和性能是降低車輛底盤自重、提高車輛可靠性和舒適性的關鍵因素。

文章研究了不同車架縱梁結構形式對車架總成性能的影響，對輕量化單層梁車架進行模態分析、扭轉模量分析、彎曲剛度及強度分析，并與現有的雙層梁車架進行對比，最終確定單層梁車架滿足性能要求。輕量化單層梁車架降低了車輛的成本和自重，同時帶來了企業產品成本的降低和用戶收益的提升。

1 車架縱梁結構設計

按照整車布置及制造形式，車架分為邊梁式、中梁式（或稱脊骨式）和綜合式。重型商用車大多采用承載能力強、制造工藝簡單的邊梁式車架。邊梁式車架由位于左右兩側的縱梁和若干橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅固的剛性構架。其中，縱梁多采用抗彎能力較強的槽型截面設計。

按照車輛裝載貨物的類型及重量區分，目前常見的車架縱梁可分為雙層梁車架、三層梁車架等結構，如圖1所示。雙層梁車架一般用于標載運輸，三層梁車架一般用于重載運輸。本文對車架進行合理的結構優化設計，形成高強鋼、單層梁車架的設計方案，如圖2所示。相比雙層梁車架，高強鋼、單層梁車架具有加工方便、成本低、自重輕的特點，而且標載情況下車架承載能力相當。

圖1 常見車架縱梁結構形式

圖2 單層梁車架

作為對比分析，文章在相同的工況下，對雙層梁車架與單層梁車架進行模態分析、扭轉模量分析、彎曲剛度及強度分析，并對所得結果進行對比，對單層梁車架的性能進行評價。

2 車架有限元分析

2.1 模型的建立

圖3 兩種結構的車架縱梁有限元分析模型

將車架的CATIA三維模型（含前端附件、管梁、板簧支座）轉換為stp格式，導入HyperMesh進行前處理工作。建立車架有限元分析模型時，鈑金件用殼單元模擬，單元平均尺寸10mm；鑄造件用四面體單元模擬，單元平均尺寸5mm。模型網格以四邊形（理想網格）為主，含少數三角形單元。對于螺栓連接和鉚釘連接，采用剛性單元RBE2與梁單元cbar相結合的形式，避免出現局部剛度突變，以提供較好的局部剛度效果。雙層梁車架與單層梁車架有限元分析模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及施加載荷

根據車架的實際受力情況，雙層梁車架與單層梁車架按相同的裝載貨物質量以均布載荷的形式加載到副車架上，如圖3。隨車附件（如安裝在縱梁上的燃油箱、蓄電池箱等）質量按實際的裝配和固定位置在幾何中心模擬質心單元，其它結構件的質量通過HyperMesh定義密度即可。

2.3 有限元分析結果

2.3.1 車架自由模態分析結果

通過HyperMesh進行有限元分析，最終得出雙層梁、單層梁兩種結構車架的自由模態分析結果，如下表1。

表1 兩種縱梁結構下的車架自由模態分析結果

由上表車架自由模態分析結果可以看出，雙層梁與單層梁車架自由模態的頻率基本一致。

2.3.2 車架扭轉模量分析結果

雙層梁與單層梁車架基于HyperMesh的扭轉模量分析結果如圖4所示。

a) 雙層梁車架 b) 單層梁車架

基本所有的國內商用車生產廠家均采用ECS評價指標，即It Target Range大于3× 106mm4。通過對雙層梁與單層梁車架扭轉模量的分析結果可以看出，值基本一致，且均大于ECS的推薦值（大于3×106mm4），具體計算如下：

車架扭轉慣性矩（Frame Torsional Moment of Inertia）(單位：mm4)

扭矩（Torsional Moment Axle Position）(單位：N.mm)

兩支點間的距離（Wheelbase/Distance between Load -ing Points）(單位：mm)

剪切模量（Shear Modulus）(單位：N/mm2)

（Twist Angle）(單位：rad)

雙層梁-扭轉模量計算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1083rad

滿足ECS推薦值。

單層梁-扭轉模量計算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1233rad

滿足ECS推薦值。

2.3.3 車架彎曲剛度分析結果

車架彎曲剛度分析結果如圖5。在前板簧后支架與后板簧前支架中心處的車架上翼面施加沿Z向向下的載荷20000N。

圖5 兩種車架結構的彎曲剛度分析

通過對雙層梁車架與單層梁車架彎曲剛度分析可以看出，在加載相同的載荷條件下，加載點Z向的位移基本相同，因此彎曲剛度也基本相同，具體計算如下。

雙層梁-彎曲剛度計算：

=0.667mm；=4000mm

注：為加載點Z向位移量。

單層梁-彎曲剛度計算：

=0.718mm；L=4000mm

注：為加載點Z向位移量。

2.3.4 車架強度分析結果

通過有限元分析得出兩種結構下車架的安全因子云圖，如圖6～圖9所示。

圖6 車架垂向受力時安全因子云圖

圖7 車輛轉彎時安全因子云圖

圖8 車架扭轉時安全因子云圖

圖9 車輛制動時安全因子云圖

通過仿真分析，得出兩種車架結構的最小安全因子如表2。

表2 兩種車架結構的安全因子

從分析結果可以看出，在垂向受力、車輛轉彎、車架扭轉、車輛制動四個工況時，單層梁車架的技術狀態均達到要求。

3 結論

通過HyperMesh對雙層梁車架與單層梁車架進行模態、扭轉模量、車架強度仿真分析，具體如下：

（1）車架模態分析：車架一階扭轉頻率為3.93 Hz（雙層梁車架）和3.91 Hz（單層梁車架），一階橫擺頻率為9.86 Hz（雙層梁車架）和9.83 Hz（單層梁車架），一階彎曲頻率為11.95 Hz（雙層梁車架）和11.84 Hz（單層梁車架）。單層梁車架的一階扭轉頻率、橫擺頻率、彎曲頻率分別與雙層梁車架基本一致。

（2）扭轉模量分析：車架扭轉模量為4.16×106mm4/rad（雙層梁車架）和3.65×106mm4/rad （單層梁車架），大于推薦目標值3×106，滿足要求。

（3）彎曲剛度分析：車架彎曲剛度為1.92×1015N·mm2（雙層梁車架）和1.78×1015N·mm2（單層梁車架）。

（4）車架強度分析：單層梁車架的安全因子均大于等于1。

因此，在標載運輸下，單層梁車架結構可滿足使用要求。

[1] 陳家瑞.汽車構造下冊（第三版）[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 熊永華,杜發榮,高峰,等.輕型載貨汽車車架動態特性分析與研究[J].機械設計,2007,24(4):32-35.

[3] 鐘佩思,趙丹,孫雪顏,等.基于ANSYS的汽車車架的建模與模態分析[J].機械設計及制造,2008,06(06):52-53.

Research on Structure and Performance of Lightweight Longitudinal Beam of aHeavy Commercial Vehicle Frame Based on HyperWorks Finite Element Analysis

Bao Weidong, Wang Xiaolong, Miao Yong

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

For heavy commercial vehicles, the structural form of the frame rails is closely related to the type and weight of the loaded goods. The structural form of the frame rails plays a very important role in the bearing capacity and torsion resistance of the frame. In this paper, the CAE simulation analysis of the newly developed high-strength steel and single-story beam frame is carried out, and compared with the existing double-layer beam structure frame, the modal, stiffness and strength of the single-story beam frame are finally determined to meet the standard load. The use requirements of the model.

Lightweight; FrameStringer; Strength; Stiffness

A

1671-7988(2018)18-54-04

U462

A

1671-7988(2018)18-54-04

CLC NO.: U462

鮑偉東，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.020