车架有限元分析

1前言

车架是汽车的主要部件。深人解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础。过去汽车设计多用样车作参考,这种方法不仅费用大,试制周于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析期长,而且也不可能对多种方案进行评价。现代车架设计已发展到包括有限元法、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架研究中十分行之有效的方法。实践证明,有限元法是一种有效的数值计算方法,利用有限元法计算得到的结构位移场、应力场和低阶振动频率可作为结构设计的原始判据或作为结构改进设计的基础。

2车架的静态分析

2.1力学模型的选择

有限元分析的基本思想,是用一组离散化的单元组集,来代替连续体机构进行分析,这种单元组集体称之为结构的力学模型;如果已知各个单元体的力和位移(单元的刚度特性),只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件,来推导集成结构的特性并研究其性能。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式,便于程序设计,大量工作是由电子计算机来完成,只要计算机容量足够,单元的剖分可以是任意的,对于任何复杂的几何形状,多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。然而,由于有限元是一种数值分析方法,计算结果是近似解,其精度主要取决于离散化误差。如果结构离散化恰当,单元位移函数选取合理,随着单元逐步缩小,近似解将收敛于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析工作的第一步目前采用有限元分析模型一般有如下两种:梁单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优点是:划分的单元数目和节点数目少,计算速度快而且模型前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是:无法仔细分析车架应力集中问题,因而不能为车架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。组合单元模型则是既采用梁单元也采用板壳单元进行离散。在实际工程运用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,宜离散为许多板壳单元的组集,其缺点是前处理工作量大,计算时间长,然而随着计算机技术的不断发展,这个问题已得到了较好的解决,而且由于有大型有限元软件支撑,巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成,也不是制约板壳元模型实际运用的困难了。这种模型使得对车架的分析计算更为精确,能为车架设计提供更为有利的帮助。

2.2车架的计算方法

汽车车架的主要结构形式为边梁式车架,货车车架纵梁截面多为槽形,横梁截面可为槽

形、闭口矩形或圆管。纵梁和横梁的连结方式有焊接、铆接和螺栓联结等。其连结接头几何形状各异,应力分布复杂根据是否考虑接头的真实形状,边梁式车架的结构计算方法可分为两大类

2.2.1不考虑接头形状有:最小变形能法、Erz法、传递矩阵法和空间梁有限元法。其不足之处,一是忽略了接头的柔度,而它对车架变形和杆端力矩的计算却很有影响。二是无法确切计算接头区域的应力分布,而这对于车架的设计和优化却很重要。三是只用梁单元,不能反映设计的修改,如接头形状和连接形式的改变

2.2.2考虑接头形状有:完全法和混合法。完全法用板壳单元来离散整个车架,可用于纵梁并不均匀平直的刚架,缺点是用的单元和自由度数目庞大,且计算的前后处理工作量大;混合法是交替使用了有限元和矩阵立法。为比较完全法和混合法的计算精度,德国学者做了一个基础试验:对一段仅有一格两根横梁的车架模型,分别用两种算法进行扭转工况的对比计算,将结果与试验相比,混合法的误差仅为3%,而完全法则大得多

在进行车架有限元分析时必须考虑接头形状。例如对于一个长5”smm,含5根横梁的货车车架,用一般梁单元计算的扭转刚度仅为测值的1/3,车架水平弯曲时,该法求出的与考虑接头形状的相比,纵梁上最大弯矩误差达50%,第三和第四根横梁弯矩误差甚至高达100肠[2j。内力误差大,就很难设想会求得准确的应力,不考虑接头形状的传统算法将接头看作刚性的特点,而各种车架接头的柔度相差几十甚至JL百倍

2.3等效载荷的简化

计算结果的真实值和可信度与模型的建立和载荷的简化有直接的关系。早期的车架强度计算是将车架简化为简支梁,只做弯曲强度的校核,随着有限元的发展和推广,国内汽车行业已将有限元法应用于车架的强度计算,但货箱与车架相连的部分,应力的计算值与货箱和车架之间等效载荷以及相互刚度关系简化模型有关,直接影响计算结果。通过分析可得出以下几点结论a·货车货箱和车架之间的作用力是以集中力的形式传递的。

b.货箱和车架共同承受弯曲载荷,货箱承受能力与货箱刚度有关。

因此在车架应力的有限元计算中考虑货箱的刚度贡献。“·货箱的结构形式对车架的受力影响显著[5j。3车架的动态分析对车架进行强度分析的同时还要考虑其合理的动态特性以达到控制振动与噪声的目的。国外从70年代开始,对汽车结构的动态特性研究迅速开展并卓有成效。《SAEPapor》近年来刊登了大量的文章,并由SAE在1974年和1977年召开了两次车辆结构力学的国际会议,出版了文集,车架的动力学分析也是在1971年刚刚开始的,计算频率与试验误差达20%。国外一般采用NASTRAN.SAP等大型计算程序并研制专用程序,自由度数

少则几百多则上万。车架结构一般采用梁单元,车身采用板单元或只承受剪力的板单元和梁单元的组合。对于整车结构的动力学分析由于自由度过高,计算很不经济,因此近年来发展了子结构的方法,分析各子结构而后进行模态综合。国内已应用有限元法对汽车车架进行了静力计算。在文献【6〕中应用大型结构软件SAP.SP对货车车架进行了动态分析和试验模态分析。在进行模态分析时,因结构阻尼较小,对固有频率和振形影响甚微,故忽略不计。而汽车车架一般只需要计算较低的几阶频率(高阶振形对结构的动力特性影响很小),并可直接对结构设计进行评价,其评价指标为:

a.车架低阶频率(即一阶扭转和弯曲频率的值)应高于悬架下结构的固有频率,而又低于发动机怠速运转频率,以避免发生整体共振现象。

b.车架弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围。

c.车架振形应尽量光滑,避免有突变。通过分析提供的信息,对该车在使用中发生的故障进行了诊断,提出了相应的改进措施,从而使该车具有更好的动态特性。4车架结构优化

4.1车架结构元件参数的优化通过对汽车车架性能特点的分析,提出边梁式车架结构参数的优化数学模型,讨论车架在一定的约束条件下,采用复合形法、混合罚函数法寻求各梁截面参数的最佳值,达到合理利用材料、减轻车架自重的目的。在保证车架强度的同时还要保证具有一定的扭转刚度。过大的扭转刚度将增大扭转应力,并使平顺性变差(武田信之:《载货汽车设计》)。从早期通过试验所得出的一些结论可以看出,若加大横梁的扭转刚度,可以提高整个车架的扭转刚度,但与该横梁连接处的纵梁的扭转应力会加大;如果不加大横梁,而是在两根横梁间再增加横梁,其结果是增强了车架的扭转刚度,同时还降低了与横梁连接处的纵梁扭转应力。据此,国外所采用的轻而密的横梁,显然对于车架的应力状态十分有利。有限元计算也表明了这一结论的正确性[7j。在对车架进行强度分析过程中,车架与横梁之间的连接对其分析结果有很大的影响。采用较柔软的接头一般使对强度起决定作用的扇形正应力降低,但同时也降低了扭转刚度。当扭转刚度一定时,提高接头柔度和增加横梁数目有利于改善强度,但使车架质量增加。车架质量一定时,使用数目较少的、截面尺寸较大的横梁对强度有利。当然,车架优化还要考虑接头区域的应力分布,观察车架的横向弯曲等

4.2考虑车架整体布局进行优化

以往较为成熟的研究工作几乎都集中在结构截面尺寸及形状优化方面,这是在结构布局已经决定的情况下进行的。优化设计能产生的效果也限定在布局之内。现在,许多专家认为,应该在结构设计的初步设计阶段引人结构优化,即在应力约束下车架的结构拓扑优化设计。它是在给定外力及支撑的条件下,确定连续体的布局,同时满足各种设计要求,在确定拓扑的