基于HyperWorks 的某轻量化中置轴轿运车车架强度仿真分析

陈德发，罗庆元

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510640）

车架是汽车的重要主体，发动机、驾驶室和桥等系统总成通过支架直接或间接装配在车架上，组成一辆完整的车，同时承受着系统总成、货箱产生的重力、冲击力及车辆运动时产生的反作用力。车架就是车辆的骨架，影响整车的可靠性和承载能力。车架轻量化设计时，应当保证车架的刚度和强度[1]。

文章研究的轻量化中置轴轿运车车架是一种常见的边梁式结构车架，主要由2 根槽型纵梁和若干横梁通过螺栓、铆钉连接在一起。其中，车架纵梁采用单层结构，断面参数为270mm×75mm×6mm，在受力大的位置补充断面参数为240mm×68mm×4.5mm 的L 型轻量化加强板。横梁采用5mm的槽型梁，连接板采用6mm 的L 型或C 型结构。车架结构图如图1 所示。

文章以HyperMesh 为前处理工具，将中置轴轿运车车架分解为二维网格和三维网格结合的有限元分析模型，利用OptiStruct 求解器进行分析计算，在后处理工具HyperView 中读取分析结果。

通过分析车架的刚度、模态及各工况下车架的应力值，设计人员可判断轻量化车架是否满足整车刚度及强度性能要求，并以此为依据对车架结构进行优化升级。

图1 车架结构图

1 车架有限元模型建立

1.1 模型建立

HyperMesh 软件中处理结构变化的操作比较复杂，应在CATIA 等几何处理软件中完成中置轴轿运车车架模型的建立[2-3]。车架模型应统一按整车坐标系建立，零部件的结构、位置应与图纸一致，与车架连接的系统支架装配在车架模型上，零部件之间不允许存在干涉情况。

1.2 车架网格划分

车架几何模型完善后，转换成stp 格式导入HyperMesh中，并根据零部件的结构特点进行网格处理，其中，单元尺寸的大小直接决定计算结果的精度，设置过大则精度较差，过小又影响计算速度[4]。对于车架本体的钣金件，一般按8mm ～10mm 划分二维网格，其他系统支架按5mm ～8mm 划分二维网格，圆角处的网格可根据R角的大小相应调整，取R角的1/2。板簧支座、悬置支座、平衡悬挂支座和方向机支座等铸件和锻造件根据模型的结构特点设置三维网格大小，为了保证运算结果和效率，厚度均匀的零件按厚度的1/2 ～1/4 取整后进行划分，厚度不均匀的零件一般按4mm ～6mm 划分铸件的三维网格[5]。

1.3 连接模拟

商用车车架的纵梁、加强板、横梁和连接板零部件主要通过螺栓、铆钉和焊接组装在一起。螺栓和铆钉连接可用RBE22 和CBAR 代替；油箱与支架、货箱与车架之间存在较大的接触面，可用CGAP 单元代替；板簧可用CBEAM 单元代替，前、后桥简化为BEAM 梁单元。

1.4 边界约束及载荷施加

中置轴轿运车车架强度仿真分析中，边界约束主要建立在轮心上，并根据不同的工况在X、Y、Z 三个方向设置不同的位移量。

车架主要受驾驶室、水箱、发动机、变速箱、电瓶、油箱和货物等产生的重力及不同工况下产生的作用力的影响。车架强度仿真分析中，根据不同的工况设置不同的加载参数。车架有限元模型如图2 所示。

2 中置轴轿运车车架强度分析

中置轴轿运车主要行驶在高速、一级公路及城市道路上，使用过程中常遇到静态弯曲、紧急转向、紧急制动和扭转等恶劣工况，文章主要根据此四种工况对中置轴轿运车车架进行强度分析。

2.1 静态弯曲工况

车架在静态弯曲工况下，施加2.5 倍的重力，并加载在各部件的质心上。约束所有轮心节点，自由度设置如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

该工况下，车架纵梁、横梁和横梁连接板的最大应力值应力分布情况如图3 所示。

2.2 紧急转向工况

文章研究的轻量化中置轴轿运车车架，主要考虑右紧急转向工况，在左前轮心处施加1 倍重力，方向由左向右。约束所有轮心节点，右侧所有轮心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；左侧轮心自由度：DOF1=DOF3=0。

该工况下，车架纵梁、横梁和横梁连接板的最大应力值应力分布情况如图4 所示。

2.3 紧急制动工况

车架在紧急制动工况下，施加1 倍的重力，加载在前桥轮心上。约束所有轮心节点，后轮轮心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0；其他轮心自由度如下：DOF2=DOF3=0。

该工况下，车架纵梁、横梁和横梁连接板的最大应力值应力分布情况如图5 所示。

图3 静态弯曲工况下的最大应力值应力分布情况

图5 紧急制动工况下的最大应力值应力分布情况

图6 扭转工况下的最大应力值应力分布情况

2.4 扭转工况

文章研究的轻量化中置轴轿运车车架，主要考虑左后轮扭转工况。车架在扭转工况下，施加1 倍的重力，加载在各部件的质心上。约束所有轮心节点，左后轮轮心自由度如下：DOF1=DOF2=0mm，DOF3=200mm；其他轮心自由度如下：DOF1=DOF2=DOF3=0。

该工况下，车架纵梁、横梁和横梁连接板的最大应力值应力分布情况如图6 所示。

3 结论

车架强度分析计算完成后，需要将车架零部件的应力值与材料性能参数做对比。车架零部件的常见材料性能参数如表1 所示。

表1 车架常用材料性能参数

根据车架强度分析计算结果，各工况下车架纵梁、横梁和横梁连接板的应力值及安全系数如表2 所示。

表2 各工况下车架应力及安全系数

从表中可知，车架在静态弯曲、紧急转向、紧急制动和扭转工况下，车架纵梁、横梁和连接板的强度满足要求，安全系数大于2，证明文章所研究的轻量化中置轴轿运车车架满足整车的强度性能要求。