某轻型载货车车架轻量化分析

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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。