基于有限元分析的某轻卡纵梁连接板结构优化及验证

黄 康，祝 慧，朱纪成，王亮亮，郁焕敬

基于有限元分析的某轻卡纵梁连接板结构优化及验证

黄 康，祝 慧，朱纪成，王亮亮，郁焕敬

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230601）

以某轻卡纵梁连接板为研究对象，其“拐点”应力值超出材料屈服极限，开裂风险较大。基于有限元仿真分析，分别采用两种优化方案对其“拐点”区域进行球化处理，均使最大应力值低于材料屈服极限。经验证分析可知，两种优化方案分别使最大应力下降45.3%和54.8%，方案二效果更佳。

纵梁连接板；轻卡；有限元分析；应力值；球化处理；结构优化

国内平头卡车结构大同小异，地板纵梁前端连接板是驾驶室与车架的搭接件，同时承担着驾驶室的质量和前翻转的扭力以及来自车架的冲击力。在可翻转轻卡驾驶室的设计过程中，人们往往把关注点集中在前翻转机构的设计和扭杆参数设计上[1]，而忽视了与翻转机构搭接的纵梁连接板。由于其所处部位的结构特点，其型面设计不可避免得有急剧变化的区域，这部分区域受力状态及其复杂，其结构设计要求相对较高。而更多的汽车厂商会选择使用性能更优越的板材制造该连接板，其代价则是更高昂的成本[2]。使用普通板材制造纵梁前连接板则需要进一步深入挖掘，本文以此为课题，针对某款车型的驾驶室纵梁连接板设计进行优化研究。

1 纵梁连接板结构与强度的影响因素

通常平头驾驶室质量约450 kg，由于前翻转的结构特点，驾驶室连接板局部区域受力则会提升至10倍[1]。在此严苛的工作环境或试验环境中，连接板会产生失效的现象，裂纹从最大应力点产生并逐渐扩展，如图1所示。因此，对最大应力点处的结构设计要求相对较高。

图1 某纵梁连接板裂纹

纵梁连接板的服役环境使其处于复杂的受力状态，因此，其强度影响因素较多，主要包括连接板各搭接面夹角、倒角半径、多面搭接点的球化特征、倒角与孔边距、连接板材料与厚度等[3]。

纵梁连接板的倒角中部通常有两个“拐点”，即图1中出现裂纹区域。该“拐点”为四面搭接处。通常在多面搭接点处的倒角会出现不同程度的畸变，且过渡面不够平滑，成为应力集中点[4]。多面搭接点有时因冲压深度过大，而导致冲压缺陷，因此，对该多面搭接点的合理优化（通常为球化处理）尤为重要。

2 强度的仿真分析

某纵梁连接板材质为SPCC 2.0 mm，其强度仿真分析最大应力点均出现在“拐点”，如图2(a)中所示处，最大应力值分别为40.6、27.8、205.5 MPa，大于SPCC材质屈服强度[5]（195 MPa），开裂风险较大。

图2 原纵梁连接板

3 结构优化

对纵梁连接板的四面搭接点处型面特征进行优化，如图3、图4所示。图3(a)所示方案一对两个“拐点”分别做球化处理[6]，从数据上看，“拐点”上部线条过渡仍存在弯曲部分，用于避让圆孔，使孔到倒角边距离满足要求。图4(a)所示方案二对两个“拐点”及中间部分整体做球化处理，“拐点”上部线条过渡平直，且圆孔上移3 mm避让该线条，使孔到倒角边距离满足要求。

图3 纵梁连接板结构优化方案一

图4 纵梁连接板结构优化方案二

4 分析验证

对优化方案一和方案二进行仿真分析如图3、图4所示，最大应力点仍出现在四面搭接处，即“拐点”处。方案一在三种工况[7]下最大应力值分别为53.3、72.4、112.5 MPa；方案二在三种工况下最大应力值分别为48.8、72.4、92.8 MPa。优化方案一和方案二均能达到改善零部件应力分布的目的，最大应力值均小于材料屈服强度，满足要求。两种方案的最大应力值下降率分别为45.3%和54.8%，方案二效果更好，分析结果如表1所示。

表1 仿真分析结果

序号纵梁连接板材料屈服强度/MPa最大应力值下降率 制动1g转向1g垂直冲击3.5g 1原件40.627.8205.5 2优化方案一53.372.5112.545.3% 3优化方案二48.872.492.854.8%

5 结论

以某轻卡纵梁连接板为研究对象，有限元仿真分析结果显示，在垂直冲击3.5工况下，其“拐点”区域应力值超出材料屈服极限，开裂风险较大。对“拐点”进行两种方案球化处理，均使最大应力值降低到材料屈服极限以下，且方案二效果更好。

[1] 马庸,张春,陈振,等.基于HyperWorks的商用车驾驶室悬置前悬翻转臂的轻量化设计[J].汽车零部件, 2022(8):16-21.

[2] 董勇峰,王博,郭浩.某轻卡驾驶室翻转系统设计[J].汽车实用技术,2020,45(21):49-51.

[3] 马鹏飞,陈鹏程,王鹏,等.关于轻型卡车车身前悬固定螺栓断裂原因分析[J].汽车实用技术,2020,45(11): 145-148.

[4] 颜宁.某轻卡驾驶室翻转机构的设计与分析[J].汽车世界,2020(10):36.

[5] 高峰,武炳焕.载重汽车驾驶室悬置翻转支架的轻量化设计及应用[J].铸造工程,2020(1):9-15.

[6] 叶平.汽车正面碰撞前纵梁结构设计[J].上海汽车, 2013(10):22-25.

[7] 杨震.驾驶室翻转系统试验设计及应用[J].轻型汽车技术,2017(6):37-42.

Optimization and Verification of a Light Truck Longitudinal Beam Connecting Plate Structure Based on Finite Element Analysis

HUANG Kang, ZHU Hui, ZHU Jicheng, WANG Liangliang, YU Huanjing

( Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 230601, China )

Taking a light truck longitudinal beam connection plate as the research object, its "inflection point" stress value exceeds the material yield limit, and the cracking risk is high.Based on the finite element simulation analysis, two optimization schemes are adopted to spheroidize the inflection point area, which reduces the maximum stress to below the material yield limit.According to the test and verify empirical analysis the two optimization schemes reduce the maximum stress by 45.3% and 54.8% respectively, and the effect of scheme two is better.

Longitudinal beam connection plate;Light truck;Finite element analysis;Stress value; Spheroidize;Structure optimization

U463.99

A

1671-7988(2023)18-52-04

黄康（1985－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车白车身、货箱和防护件结构及轻量化设计，E-mail: huangk@jac.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.011