新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 某轻型载货车车架轻量化分析

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发表于 2020-3-10 15:18:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】某轻型载货车车架轻量化分析
钱玉兰(潍柴动力上海研发中心,上海 201114)
摘 要:根据项目组的要求,对某轻型载货车车架进行轻量化验证分析。文章基于有限元法,运用Hypermesh、Nastran等有限元计算分析软件,建立车架有限元模型,对车架进行模态及扭转模量分析,在垂向弯曲工况、紧急转弯工况、过坑扭转工况、紧急制动工况四种恶劣工况模式下对车架进行强度校核分析,通过对优化前后分案的分析对比,优化后方案的模态、扭转模量与优化前相当,强度方面优于优化前方案。分析结果表明,新方案模型可以替代原方案模型,轻量化设计成功减重27Kg,约为优化前质量的9.7%。
关键词:载货车;车架;轻量化;有限元分析
前言

[size=1em]对于卡车而言,车架是汽车的载体,承载着动力系统、 驾驶室、传动系统、转向系统、上装载货物等。在保证其强度和刚度需求的基础上,降低车架总成的重量,不仅可以减少材料用量降低成本,同时可以提高用户收益,创造经济价值。商用车车架均为钢材,占整车质量比重较大,传统设计为保证承载能力,过于保守导致重量过大[1-2]。

[size=1em]本文以某载货车车架为例,根据项目组的轻量化要求,对车架进行轻量化优化分析,通过有限元软件,对模型进行离散,建立有限元模型,考察优化后模型的模态刚度,并考察垂向工况、转弯工况、扭转工况制动工况下其性能是否满足要求。通过分析,优化后的车架减重明显,且各方面性能都能满足使用要求,达到项目组轻量化目标。

1 车架有限元建模

[size=1em]某轻型货车车架原方案为:车架纵梁料厚为6mm,车架材料为510L。新方案为:车架纵梁料厚为4.5mm,车架材料为某高强钢。

[size=1em]对两个方案模型进行离散,建立其有限元模型:

1.1 网格划分

[size=1em]车架钣金件使用壳单元模拟,网格基准尺寸设为10mm,根据模型结构特点,圆角等部位局部网格尺寸细化,半径大于 8mm的,使用多排单元网格划分,翻边宽度大于 10mm的生成2排以上单元。铸件采用四面体单元模拟,网格基准尺寸设为4mm。

[size=1em]螺栓孔周围需要做扩孔处理,孔的节点数需为偶数。确定为镜像件的模型要通过镜像网格生成整体网格。网格要求连续、均匀、美观,三角形单元网格比例小于 5%,满足网格质量检查要求,网格质量标准以不破坏模型特征为前提。

[size=1em]模型中不允许有自由节点、重复单元、有自由边存在,且壳的法向要求一致。

1.2 部件连接

[size=1em]CO2保护焊连接,保持焊缝处连接件的网格节点一致,即节点具有相互投影关系。通过点对点形式的RBE2依次连接件的节点,如图1所示。

[size=0.8em]图1 CO2保护焊连接示意图

[size=1em]螺栓连接方式是采用刚性单元RBE2和梁单元CBEAM组合模拟。转动副用RBE2单元释放轴向旋转自由度来模拟。车架上安装的动力总成、驾驶室、配载、电瓶箱、油箱、备胎等以质量点代替。钢板弹簧使用等效矩形截面梁单元模拟。

[size=1em]车桥参照原模型外形轮廓使用近似截面梁单元模拟。主副车架之间采用gap单元模拟接触,通过长杆螺栓紧固。轮胎采用弹簧spring单元模拟。车架强度分析有限元模型如图2所示。

[size=0.8em]图2 车架强度分析有限元模型

2 轻量化方案定义

[size=1em]车架及附件采用的材料均为钢材,其弹性模量为2.1E+5 MPa,泊松比为 0.3,密度为 7.85E-9Ton/mm3,测量出各个部件的实际厚度赋予相应的部件单元属性。板簧支架采用的材料为铸铁,其弹性模量为 1.7E+5MPa,泊松比为 0.3,密度为7.85E-9Ton/mm3。

3 分析工况3.1 模态分析工况

[size=1em]车架不施加任何约束,计算自由模态。

3.2 扭转模量分析工况

[size=1em]约束前悬架板簧中心连线中点Z向平动自由度,约束后悬架平衡轴支座处 X、Y、Z方向平动自由度。前悬架左右板簧中心处施加大小相等方向相反的10000N垂向力。

3.3 强度分析工况

[size=1em]3.3.1 垂向工况

[size=1em]左前轮约束X、Y、Z方向平动自由度,右前轮约束X、Z向平动自由度,后轮约束Z向平动自由度。约束位置在轮胎接地点。车架整体施加Z向-3.5g重力,模拟过减速带时,车架受到垂向载荷作用下的响应情况。

[size=1em]3.3.2 转弯工况

[size=1em]左前轮约束X、Z向平动自由度,右前轮约束Z向平动自由度, 后轮约束 Z向平动自由度,车架接地弹簧与地面连接的一端约束Y向平动自由度。车架整体施加Z向-1g,Y向0.4g加速度。用于模拟整车紧急转弯时,车架受到垂向载荷和纵向载荷的综合作用下的响应情况。

[size=1em]3.3.3 扭转工况

[size=1em]左前轮约束X、Z向平动自由度,右前轮约束X、Y、Z向平动自由度,后轮约束Z向平动自由度,左前、右后轮胎抬高150mm。车架整体施加Z向-1g重力。用于模拟整车过不平路面时,车架受到的扭转作用下的响应情况。

[size=1em]3.3.4 制动工况

[size=1em]车架不施加约束。车架整体施加Z向-1g,X向-1g加速度,计算出各轮胎支反力,将支反力施加到轮胎接地点,采用惯性释放方法计算。用于模拟整车紧急制动时,车架受到垂向载荷和纵向载荷的综合作用下的响应情况。制动工况轮胎载核如表1所示:

[size=0.8em]表1 制动工况轮胎载核表

4 计算结果及分析4.1 模态分析结果

[size=1em]对两个方案车架进行模态分析,原方案模态振型云图如图3所示,图示左为原方案一阶扭转模态,模态频率为10.17Hz。图示右为原方案一阶弯曲模态,模态频率为30.81Hz。新方案模态振型云图如4所示,图示左为原方案一阶扭转模态,模态频率为 10.24Hz。图示右为原方案一阶弯曲模态,模态频率为28.90Hz,较原方案变化不大。

[size=0.8em]图3 原方案车架一阶扭转模态及一阶弯曲模态

[size=0.8em]图4 新方案车架一阶扭转模态及一阶弯曲模态

[size=1em]表2为原方案和新方案的模态结果对比表,通过对比可以得出:两个方案模态振型相似,频率相近,由此断定,在模态分析结果中,新方案对模型产生的影响可以忽略。

[size=0.8em]表2 车架模态结果对比表

4.2 扭转模量分析结果

[size=1em]如图5所示,图中显示为该车架在前轮轮心处加载±10000N时加载点处的扭转角度,原模型加载点处变形角度为0.040,新模型加载点处变形角度 0.050,角度有所增加。将扭转角度带入公式计算求得两个方案的车架扭转模量。

[size=0.8em]图5 车架扭转角度

[size=1em]带入公式(1)计算可得,原方案扭转模量为7.79E6 mm4,新方案扭转模量为6.32E6mm4。


[size=1em]式中:It、Mt、l、G、θ分别表示扭转惯性矩(mm^4)、前轴扭矩(N/mm)(或前部加载点间的扭矩)、前后轮距(mm)(或约束点加载点间的距离)、剪切模量(N/mm^2)、扭转角度(rad)。

[size=1em]通过对比得出,扭转刚度略有降低,但是满足评价指标(>3x10ˆ6mmˆ4,此评价指标参考行业内经验得来)。

4.3 强度分析结果

[size=1em]分别对改进前后车架模型进行强度分析,计算结果如下:

[size=1em]图6为原方案各工况下最大应力点处应力云图,依次是垂向弯曲工况、转弯工况、扭转工况和制动工况的应力云图,最小安全因子都大于1,其中扭转工况安全因子最小,为1.14;图7为新方案各工况下最大应力点处应力云图,依次是垂向弯曲工况,转弯工况,扭转工况和制动工况的应力云图,最小安全因子都大于1,其中转弯工况安全因子最小,为1.26。

[size=0.8em]图6 原方案各工况应力云图

[size=0.8em]图7 新方案各工况应力云图

[size=1em]把分析结果整理到表格中,如表3所示,原方案和新方案车架在各工况下最小安全因子对比表。从对比分析结果中可以看出,各个工况下,新方案较原方案安全因子都有所提升,扭转工况下安全因子增幅达到15%,新方案的结构强度是优于原方案。

[size=0.8em]表3 原方案和新方案最小安全因子对比表

[size=1em]从以上分析结果可以得出,新方案能够满足使用要求,新方案模型可以替代原方案模型。

5 思考与结论

[size=1em]通过对比分析得出:

[size=1em]新方案模型的模态与原方案模型的模态阵型相似,频率相近,新方案在模态分析结果中对模型产生的影响可以忽略。

[size=1em]新方案模型的扭转模量略低于原方案模型的扭转模量值,但是满足评价指标。

[size=1em]新方案模型的强度优于原方案模型。

[size=1em]由此得出,新方案可以替代原方案,同时新方案车架模型质量(251.7Kg)相比原方案车架模型的质量(278.7Kg)减少了27 Kg,减少9.7%,降重效果明显,优化方案模型已被采纳,并应用到实车设计中。

[size=1em]通过本次的分析验证,本次优化的整个过程可以为车架的设计提供了一种思路和方法,为深入进行车架的轻量化奠定了基础。



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