EQ1075G车架有限元分析

EQ1075G车架有限元分析

An FEM Analysis of the EQ1075G Frame

蒋光福刘永超耿广锐李智勇刘道勇

(东风汽车公司技术中心)

摘要: 本文对EQ1075G车架进行自由模态和静态应力有限元分析，针对分析结果给出了改进设计建议方案。

主题词：汽车车架模态应力优化设计有限元分析

Abstract This paper has introduced mode and stress FEM analysis for the EQ1075G frame and has put forward improved design structure on this analyzed resolution.

Keywords: Automobile Frame Mode Stress Optimization design FEM analysis

一、前言

根据EQ1075G车架产品开发的需要，本文对车架原设计方案进行有限元模态和应力分析，并根据分析结果，提出了改进设计建议方案；同时，对该改进设计建议方案也进行了有限元模态和应力分析，并作出了相应的评价。

二、结构模型化

由于该车架主要是板材结构，因此模型化时主要采用板单元；车架上所有的铆钉连接用梁单元和刚性单元模拟；钢板弹簧用弹簧单元模拟；车架有限元模型如图1所示。

车架有限元模型规模：节点84900个，单元81318个，其中板单元81062个，弹簧元12个，梁单元24个。

图1 车架有限元分析模型

三、计算参数

钢板弹簧的刚度系数：

=86.926N/mm

前钢板弹簧的垂直刚度系数：C

前

后钢板弹簧的主簧的垂直刚度系数：C

=92.904N/mm

后主

后钢板弹簧的副簧的垂直刚度系数：C

=115.15N/mm

后副

EQ1075G车架采用特高强度热轧冷成型钢Domex 700MC材料，该材料的物理性能为：弹性模量E=210000N/mm2，泊松比μ=0.3；该材料的机械性能为：最小屈服强度是700000KPa，最小抗拉强度是750000KPa，最大抗拉强度是950000KPa.。

本文应力分析时，取动荷系数为1.0。

四、边界条件

本文分析车架应力时，施加了作用于车架上的所有载荷，其中重力包括动力总成5855.5N，油箱及托架1117.2N，水箱及中冷器588N，驾驶室及乘员5880N，蓄电池及其框架686N，贮气筒及其框架980N，车厢9310N以及载荷39200N。

本文分析了三种工况下的车架应力分析规律及其最大应力值，各工况定义如下：

工况1：弯曲工况，汽车满载（4000kg）匀速行驶在水平路面上，只约束前后车轮竖直方向的位移。

工况2：扭转工况，汽车满载（4000kg）匀速行驶在有凸台的路面上，一

个前轮上凸台，其余三个车轮处于同一水平路面上，凸台高度按150mm计算，约束处于同一水平路面上的三个车轮的竖直位移，给上凸台的车轮加150mm 的竖直向上强制位移。

工况3：扭转工况，汽车满载（4000kg）匀速行驶在有陷坑的路面上，一个前轮掉进陷坑里，其余三个车轮处于同一水平路面上，陷坑深度按150mm 计算，约束处于同一水平路面上的三个车轮的竖直位移，给掉进陷坑里的车轮加150mm的竖直向下强制位移。

五、方案描述

本文分析了两种方案：原设计方案和改进设计建议方案，其中改进设计建议方案是在原设计方案基础上，将第三横梁下横梁向中间延伸成为一整体横梁，同时，在第四、五横梁连接件腹板上中间增加两个铆钉连接，以加强横梁与纵梁的连接刚度，降低连接铆钉孔四周的应力值。

六、计算结果

本文采用SDRC/I-DEAS Master Series 5.0软件作为有限元前后处理和MSC.Nastran作为分析软件。

1．模态分析

两种方案的前三阶自由模态频率如表1所示，模态振型如图2至图4所示，两种方案前三阶模态振型完全相同，仅频率值不同，故在此只列出原方案的模态振型图。

表1 EQ1075G车架模态分析结果

图2 原方案一阶模态振型图

图3 原方案二阶模态振型图

图4 原方案三阶模态振型图

2．应力分析

两种方案在三种应力计算工况下的应力分析结果如表2和图5至图8所示。

表2 两方案在三种工况下的最大Von Miss应力值（单位：KPa）

图5 原方案工况1最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

图6 改进方案工况1最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

图7 原方案工况2最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

图8 改进方案工况2最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

图9 原方案工况3最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

图10 改进方案工况3最大Von Mises应力分布图（单位：KPa）

七、结论

通过前面分析可结论如下：

1．改进设计方案一阶扭转模态频率提高53.87%；而二阶和三阶模态频率变化较小，表明改进方案扭转刚度增加明显，改进效果显著。

2．改进设计方案在工况1下的最大Von Mises应力值较原方案下降了

41.38%，且最大应力值降到了车架材料的屈服强度（700MPa）之下，表明

改进设计方案抗弯强度增加明显，改进效果显著。

3．改进设计方案在工况2和工况3下的最大Von Mises应力值较原方案分别下降了36.65%和37.52%，且最大应力值降到了车架材料的屈服强度(700MPa)之下，表明改进设计方案抗扭强度增加明显，改进效果显著。

4．本文上述应力分析结果是光车架应力分析结果，而实际上车架是工作在整车中的车架，别的总成（如车厢，车身和动力总成）的刚度对车架影响很大，其中特别是扭转刚度。因此，整车中的车架扭转应力值应比光车架扭转应力值低很多；根据以往的车架分析结论，整车中的车架扭转应力应比光车架扭转应力低60%左右。

5．建议设计师采纳本文所提出的改进设计方案。