商用车车架横梁的应力分析

商用车车架横梁的应力分析
摘要：车架是汽车各总成零部件的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一
个有机的整体，组成一辆完整的汽车。

要求有足够的强度：保证在各种复杂的受
力状况下，车架及底盘上的各总成不致因变形或疲劳而早期损坏或失去正常的工
作能力。

有适当的扭转刚度：当汽车行驶在不平路面时，为了保证汽车对路面不
平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力。

车架横梁作为车架的关键零部件，横梁的主要作用是连接纵梁，构成一完整的框架，保证车架承载性能，具有足够
的强度和抗扭转刚度。

关键词：商用车；车架横梁；应力；
横梁是商用车车架的重要组成部分，它将左右纵梁连在一起，构成一个完整
的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，以限制纵梁变形和降低某些部位的应力，此外横梁还起着支撑某些总成的作用。

商用车车架横梁一般有管状横梁、槽型横梁、鸭嘴横梁、方形横梁等多种形式。

在车架上布置位置不同，对横梁的选择也
会多种多样。

一般情况下，同一车型的中间横梁采用的结构是相同的。

一、概述
对于非承载式车身的车型，车架是整车的装配基体和承载基体，承载着汽车
各总成，并承受着各种力及力矩。

设计合理的车架是开发非承载式汽车重中之重，设计车架即不可过强，避免造成材料浪费，增加产品成本；又不可过弱，避免车
辆寿命周期内发生开裂，对乘客造成伤害。

因此，对车架疲劳耐久寿命预估是车
架开发的重要内容。

车架由不同厚度、不同形状的冲压钣金焊接而成，焊缝数量
多且走势复杂，根据工程经验，车架疲劳失效主要发生在焊缝及其热影响区域，
因此对焊缝及热影响区进行有限元模拟及寿命预测势在必行。

通过有限元分析的
方法对结构最大等效应力进行分析比较，并通过分析验证改进的合理性。

二、商用车车架横梁的应力分析
1.车架扭转疲劳台架试验。

根据企业车架扭转疲劳台架试验规范，对车架进
行台架扭转疲劳试验模拟实车状态，把车架总成固定在台架试验台上，用专用夹
具固定车架后弹簧座吊耳，可绕X 轴旋转加载装置与前弹簧座支架通过专用夹具
连接，激振器作用通过加载装置Z 向加载，加载扭矩±2000N•m，加载频率3Hz，
顺时针、逆时针各加载一次计一个循环。

试验要求循环20 万次，车架焊缝及钣
金均不能开裂。

共做了三个车架的扭转疲劳台架试验，分别在15 万次、18万次、13 万次发生焊缝开裂，焊缝开裂位置均是第三横梁与车架纵梁连接处焊缝开裂，
白线位置。

由台架试验结果可知，车架焊缝不满足20 万次寿命要求，亟需借助
先进有限元方法找到焊缝失效原因，并提出有效改进措施。

在使用过程中因多次
扭转达到疲劳极限产生开裂，而横梁抗扭性能好，能很好的适应扭转工况。

2.车架焊缝有限元模拟。

车架是由纵梁、横梁及支架组成的焊接总成件，纵梁、横梁及支架为薄板钣金结构，冲压钣金工艺简单，加工工艺引起材料性能变
化不大，有限元模拟方法为抽中面选用PSHELL 单元、料厚赋予钣金实际料厚模拟，已经过试验验证方法有效。

而车架焊缝数量多，分布广且是车架易失效风险位置，焊接焊缝时，焊缝本体及母材在高温下发生材料性能复杂变化，如何用有限元方
法正确模拟焊缝本体及焊缝热影响区，对准确评估车架性能意义重大。

采用两种
常用焊缝建模方法构建车架有限元模型，模拟台架试验规范建立有限元分析工况，并运用有限元分析结果进行车架扭转疲劳台架试验寿命预测。

比较两种不同焊缝
建模方法计算所得台架扭转疲劳试验寿命，选用与台架试验结果相吻合车架焊缝
建模方法，并应用该有限元建模方法查找焊缝开裂原因，提出改进方案。

一般来说，焊缝可以通过rigid 单元、Weld 单元或Pshell 单元模拟，根据多年企业经验，采用rigid 单元、Weld 单元会导致有限元结果偏刚，并且rigid 单元不能赋予焊缝
疲劳材料属性，因此不能采用rigid 单元、Weld 单元来预测焊缝疲劳耐久寿命。

因此，采用单元模拟焊缝，单元可以灵活赋予不同厚度、不同材料来模拟焊缝属性，网格平均尺寸7mm，单元类型为CQUADR&CTRIAR，焊缝单元垂直焊接平面，焊缝单元沿着实际焊缝位置分布，焊缝单元不能穿过焊接钣金单元的对角线。

焊
缝单元及相邻单元尽量采用四边形网格并保证良好的网格质量。

企业研究表明，
焊缝本体及焊缝热影响区材料疲劳耐久属性相近且均与钣金母材不同，因此焊缝
本体及热影响区属性要区别于钣金母材单独赋予材料、料厚属性。

通过比较两种
不同材料、料厚属性单元焊缝建模方法下疲劳耐久寿命结果，确定适用于预测车
架疲劳耐久台架试验寿命的焊缝建模方法。

3.车架强度分析。

车架强度分析分为静强度分析和疲劳分析。

静强度分析又
分为垂向加速度静载工况、横向转弯工况和对角扭转工况，因对角扭转工况对车
架考察最为严格，本次分析只进行对角扭转工况下的静强度分析。

对角扭转工况
定义: 通过对角轮中心同时抬高一定高度值来实现车架扭转。

前轮一侧约束平动
自由度，另一侧约束自由度，其中自由度参照车架分析载荷定义值给定。

其他轮
约束自由度，其中一侧自由度参照车架分析载荷定义值给定，保证车架扭转的实现。

，管状横梁车架管横梁两端连接板应力较小，钢管部分应力偏大; 槽型横梁
车架槽横梁连接板局部应力较大; 鸭嘴横梁车架与车架连接部分局部应力偏大，
但整体应力最小。

综上所述，管状横梁车架最大应力点值相对较小，槽型横梁车
架最大应力点值最大，鸭嘴横梁车架最大应力点值居于两者之间。

4.焊缝寿命预估。

一是焊缝应变载荷历程。

以采用焊缝建模方法所得焊缝开
裂处起始单元应力为例，介绍焊缝应力载荷历程构建过程，由有限元静强度分析
结果可知，加载顺时针扭矩时，开裂焊缝起始单元应力为240MPa，加载逆时针
扭矩时，该单元应力为-203MPa，由疲劳理论可知，金属疲劳寿命与载荷幅值有关，与载荷波形无关，因此采用单位三角载荷构造台架应力载荷历程。

由法则转
换线性应力为局部应力应变历程，法则是基于对称循环应力应变进行计算的，因
此再由法则修正平均应力应变对寿命影响，转换成对称应力应变循环，以便于应
用焊缝应变-寿命曲线进行寿命预估。

零部件表面光滑度、表面处理工艺等表面状态对零件寿命有显著影响，表面越光滑越不容易产生疲劳裂纹，而焊缝表面比较
粗糙，降低了疲劳寿命，因此，进行焊缝寿命预测时，根据企业经验，以系数
0.6 修正焊缝粗糙表面对寿命影响。

二是焊缝寿命分析结果。

将焊缝台架动态应
变历程与焊缝应变-寿命曲线导入中，求得车架焊缝寿命。

方法得出第三横梁与纵梁连接处焊缝寿命14 万次，焊缝建模方法预估疲劳耐久寿命已满足20 万次寿命
要求，不能再现台架焊缝开裂问题。

方法所得焊缝寿命不满足20 万次寿命要求，具有开裂风险，与车架扭转台架疲劳试验结果吻合，且开裂位置一致，故可以采
用方法模拟车架扭转台架疲劳试验以找到焊缝开裂原因、优化方案并快速验证优
化方案。

三、结束语
横梁是商用车车架的重要组成部分，它将左右纵梁连在一起，构成一个完整
的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，以限制纵梁变形和降低某些部位的应力，此外横梁还起着支撑某些总成的作用。

选用的有限元分析方法预测焊缝开裂风险
位置与台架试验开裂位置一致。

参考文献：
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