运动型多功能汽车车架的有限元分析

□徐 勇 □杨喜东 □牛宝忠 □傅春宏

奇瑞汽车股份有限公司 安徽芜湖 241006

1 研究背景

对于运动型多功能汽车（SUV）中起主要承载功能的车架而言，复杂的行驶路况和较重的行驶负载是其无法绕开的技术难题，加上日益严峻的环保排放要求和用户燃油经济性的需求，必须设计具备结构轻量化和足够强度与刚度的车架，来保证SUV的可靠性和寿命。

应用有限元分析法可以解决以前手工计算时存在的众多难题，笔者通过对SUV车架进行有限元分析研究，使复杂问题得到解决[1-2]。

在汽车车架结构有限元分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。近年来，由于计算机软件和硬件飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量分析发展到定量分析[3-4]。应用范围的不断扩大，使有限元分析不仅能处理静力方面的难题，而且能进行动态分析。有限元分析的处理对象也不断增加，由以前单一的弹性介质扩展到目前黏着性、弹性、塑性等材料[5]，从以前的杆梁问题扩展到平面、空间及板壳问题。应用有限元软件，获得更为卓越的车架设计技术，同时能及时了解设计过程中存在的问题，综合考虑车架构造及外力负载的复杂性，进而获得更加优化的设计结果[6]。

2 有限元建模

应用CATIA V5软件中草图和零部件设计两个模块，完成创建SUV车架三维模型，如图1所示。

图1 SUV车架三维模型

3 有限元分析

将SUV车架三维模型导入ANSYS软件[7]，建立车架结构模型。

定义单元类型，选中实体单元为Solid Brick 8 node 45单元。

设置材料属性，车架材料属性见表1所示。

表1 车架材料属性

通过菜单 Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete建立悬架模型[8]。

划分网格。该有限元模型包含20 380个实体单元、8个螺旋弹簧单元，以及8个模拟悬架的MPC184刚性梁单元。

3.1 静力分析

进行有限元静力分析时，需对模型的工况进行限制。限制方式应确保结构不会造成刚性位移，使总刚度方程具有唯一解。车辆工况主要包括弯曲、扭转、紧急制动和转弯四种，其中弯曲和扭曲的影响最大。因此，将弯曲和扭转两种工况作为研究对象。为确保有限元模型不会造成刚性位移，对这两种工况进行限制处理。

弯曲工况模拟在满载条件下，车辆四轮在路面上以恒定速率向前移动的情况。当有限元求解模拟弯曲工况时，车架所承受的质量和负载要乘以动态负载因数，来进行框架结构的强度和刚度校正。

在处理求解时，弯曲工况约束状态如表2所示。

表2 弯曲工况节点约束状态

表2中所示节点为理论节点，实际作用节点以有限元模型中的节点号为准。Ux、Uy、Uz为节点平动自由度，ROTx、ROTy、ROTz为绕轴转动自由度，Y表示对该自由度进行约束。

扭转工况指单个轮胎悬空、其它三个轮胎承载车辆的临界状态。在开始求解时，前悬架支架与轮胎连接±20 mm处往Y向偏移，与水平位移相反。车辆受到最恶劣的扭转工况通常是慢速行驶在凹凸坎坷的路面时产生的，因为此时汽车行驶速度慢，惯性载荷小，最大动载荷因数为2.3。在处理求解时，扭转工况约束状态如表3所示。

表3 扭转工况节点约束状态

按上述工况约束限制好后，再进行载荷加载处理，最后进行车架结构静力分析。在MPC184刚性梁单元连接下，两种工况的应力和变形分别如图2～图5所示。

3.2 结构模态分析

车架构造的模态研究是汽车新产品研发中的主要任务，特别是车架构造的低阶弹性模态，不但表明了车架的刚度性能，而且是分析汽车产生振动的重要依据，应该视作汽车新产品研发的强制性审核标准。

ANSYS给予七种模态提取方式，其中分块兰乔斯方式因精确度高与求解速率快等优点被普遍应用，笔者应用这一方式提取SUV车架结构的前八阶

图2 弯曲工况应力分布

图4 扭转工况应力分布

图3 弯曲工况变形分布

图5 扭转工况变形分布

模态[8-9]。经过后处理，获得SUV车架的前二十阶固有频率，见表4。

表4 SUV车架结构前二十阶固有频率 Hz

当汽车以较高速度在宽阔的路面上行驶时,常受到对称垂直载荷作用，这类载荷最易引起车架结构的弯曲模态。通过上述弯曲模态分析，能够掌握车架在不同阶次下的频率[10]。模态分析的目的是评估车架的强度。上述分析中，车架弯曲最大应力出现在车架最后一根横梁处，应力值为56.1 MPa,变形量为0.119 mm。车架扭转最大应力出现在车架倒数第二根横梁处，应力值为53.8 MPa，变形量为0.134 mm。两处应力和变形量均在允许范围之内，车架结构能适应既定工况，满足强度和刚度的设计要求。

4 结束语

笔者应用CAITA软件参数化建模和ANSYS软件对SUV车架进行强度和刚度分析，有利于指导整车开发项目，并通过结构应力工程分析，在新车试制阶段及时发现问题，促进问题的解决。