基于刚度分析的某商用车车架结构优化

基于刚度分析的某商用车车架结构优化任明;孙涛;石永金;郑松林【摘要】Stiffness is the fundamental property of vehicle frame, which directly affect the passive safety performance, NVH performance, comfort, etc.In the process of the development of a commercial vehicle frame, the structure optimization of frame mainly focuses on the rigidity of the frame. The CATIA model of the vehicle frame is built and stiffness is analyzed by Hypermesh. According to the SOR (statement of requirement) of frame , the parts which doesn't meet the requirement were found out. Then optimization on the parts was conducted and verified by the stiffness test until they meet the requirement. The results show that the error between optimization of the frame and test results is less than 10%, reaches the frame stiffness requirements.%刚度作为车架最基本的特性,其不足会直接影响非承载式车身的被动安全性能、NVH性能、舒适性能等,因此在某商用车车架的开发过程中,主要针对刚度对车架进行结构优化.首先进行CATIA建模,并运用Hypermesh对车架进行刚度分析,根据车架设计规范,排查出不符合刚度要求的部件.结构优化使之满足设计规范要求后,对优化后的车架再次进行有限元分析,并在车架上安装传感器进行台架试验.结果表明,优化后的车架仿真、试验结果误差不超过10%,达到了车架刚度要求,验证了其准确性.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】4页(P5-8)【关键词】安全性;车架;非承载式车身;刚度分析;台架试验【作者】任明;孙涛;石永金;郑松林【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海 200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海 200093;上海理工大学机械工程学院,上海200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海200093;上海汽车股份有限公司商用车技术中心,上海 200432;上海理工大学机械工程学院,上海 200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TH16车架开发在整车开发中一直占据着重要位置，如何能快速的设计出满足安全性、操纵性、舒适性等各项性能的车架一直是国内外重要的研究课题。

此商用车采用非承载式车身，车架承载着包括车身、发动机在内的大量载荷，因此在车架的设计过程中，需要保证其刚强度以防止车架变形和断裂，按刚度设计的车架其强度或耐久性有较大的裕度而按强度设计的车架则显得相当柔软，即以满足刚度准则的要求来确定结构时，可同时满足强度准则[1]。

传统的设计以理论计算和长期设计实践来确定车架的结构，刚强度等一些特性只能在试验台上进行试验获得，循环周期长，成本高。

随着有限元技术的发展，车架设计的现代化程度也愈来愈高。

文献[2]运用有限元分析软件建立车架结构的有限元模型，并结合结构可靠性设计方法对车架进行结构分析，提高了设计水平和车辆的可靠性，证明了有限元法用于结构优化的有效性。

文献[3]进行了非承载式车身对整车刚度的研究，研究表明车架对整车扭转刚度的贡献为30%，对整车弯曲刚度的贡献率为54.7%，故车架刚度对于整车刚度具有重要意义。

将运用有限元法和试验相结合的方法对车架进行刚度分析。

对于车辆来说弯曲和扭转载荷是车架在使用过程中最常见的载荷工况，对车辆车寿命影响也最大，因此在扭转和弯曲工况下对车架进行刚度分析，对未满足要求的部分进行结构优化，并进行试验验证。

2.1 弯曲刚度理论车架的弯曲刚度是指为使汽车车架产生单位挠度所需的载荷，或载荷与所引起的车架最大挠度值之比。

用产生节位位移挠度时所需的载倚来衡量车架的刚度，由于该研究旨在对比试验和有限元分析结果，因此以施加的载荷与挠度之比作为车架的弯曲式中：k—弯曲刚度，单位（N/mm）；l—加载点发生的位移，单位（mm）。

2.2 扭转刚度理论扭转刚度的大小用来表示车架在凹凸不平路面上抵抗对扭转变形的能力，当车身上作用有反对称垂直载荷时，结构处于扭转工况，使车架产生扭转变形。

扭转刚度可以作为判断这个变形程度的值。

可以假定车身是一个具有均匀扭转刚度的杆体，车身平均扭转刚度的计算公式为：式中：GJ—扭转刚度，单位为N·mm/rad；l—两受力点间的距离，此模型为800mm。

3.1 建立3D模型用3D软件CATIA对车架进行三维建模模型，如图1所示。

3.2 有限元模型建立3.2.1 几何处理及划分网格首先把CATIA模型导入Hypermesh软件中，导入模型时，有时存在缝隙、重叠、错位等缺陷，边界错位经常引起网格扭曲，导致单元质量不高，求解精度差[5]。

因此，应先对模型进行几何清理，以免影响精确度。

完成几何清理后，对模型进行网格划分。

汽车车架的纵梁、横梁一般是钢板冲压件，所以材料用壳单元代替。

网格质量是指网格几何形状的合理性，其质量的好坏将影响计算精度，质量太差的网格甚至会中止计算[5]。

评价有限元模型网格质量好坏的一般准则，即网格大小、翘曲度、长宽比和锥形度等都要控制在一定的范围之内，对于面单元还必须严格控制三角形单元的比例。

考虑横梁纵梁材料一般为钣金件，大部分厚度低于4mm，所以用四边形及三角形壳单元划分网格，三角形壳单元控制在6%以内，网格大小为7mm，能够满足刚度分析的要求。

3.2.2 建立连接关系纵、横梁极其连接板间有大量的螺栓及铆钉连接，这些连接采用RBE2+CBAEM单元连接[6]。

具体连接方式，如图2所示。

3.2.3 设置边界条件与施加载荷弯曲工况：在进行车架弯曲刚度有限元分析时，约束左右两前悬架支座中心点3个平动自由度Ux、Uy、Uz，释放前悬支架的三个转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ，约束后弹簧座中心点一个平动自由度Uz，释放其他自由度。

将载荷简化为在车架左右纵粱上前后车轮中心点施加铅垂方向的集中力，大小为1kN，方向相同。

车架弯曲刚度有限元分析模型，如图3所示。

在进行车架扭转刚度有限元分析时，约束前保中心点1个平动自由度Uz，释放前保其余自由度。

约束后左弹簧座中心点Ux，Uz方向自由度，释放其余自由度，约束后右弹簧座中心点Ux，Uy，Uz三个方向自由度，释放其余自由度。

在前减振器座中心点出施加图示力矩，大小为1kN，方向相反。

车架扭转刚度有限元分析模型，如图4所示。

3.3 结果分析将模型导入线性求解器Optistruct计算结果，输出的应变云图，如图5、图6所示。

由有限元结果知，最恶劣工况是弯曲工况时，由应变分布云图读出该工况下的加载点的位移为0.592mm，计算弯曲刚度为1690N/mm，远远低于车架刚度的规范要求，且第一、二纵梁附近应变集中现象非常严重，第一、三、四横梁和第一车身悬置也存在应变集中，刚度不足的情况。

分析应变云图，在左减振器座力矩加载点的位移为2.812mm，右减振器座的为2.793mm，计算扭转刚度为1951N·m m/rad，未达到规范要求。

从图形上可以看出，左右纵梁前端变形量较大，向后变形逐渐减小，属危险情况，应采取相应措施。

4.1 车架优化目标与方案由分析可知，第一、二纵梁变形较大，危险系数高，应着重考虑厚度及材料，可加加强板及增加壁厚，同时整个车架应力分布也不会改变；前四横梁变形较大，结构突变明显，在结构方面做些许改动；纵横梁之间变形明显，考虑焊接位置及面积来达到要求。

结合分析结果与优化目标具体做出以下三个方面的优化：（1）增加纵梁的刚度，为确保车架的装配性能，在保持车架结构形状及连接位置不变的情况下，将厚度从之前的2.6mm提高到3.0mm，并在纵梁上添加加强板，以增加局部刚度，如图7所示。

（2）增加纵梁与横梁的连接刚度。

由于纵梁与横梁连接附近受力较大，应变明显，因为纵横梁之间仅有焊缝连接，所以应该增大焊缝连接的范围，故增加横梁与纵梁连接处部件连接的面积或添加加强板以防因结构上的改变而产生影响，如图8、图9所示。

（3）消除载荷传递路径上的结构突变，避免结构应变集中。

考虑到在扭转工况中，前副车架的位移比较大，弯曲工况时第三横梁位移比较大，所以为了进一步提高其扭转刚度，在第二第三横梁之间添加支架，在第一纵梁与第三横梁之间添加支架，以此来增加局部刚度，如图10所示。

4.2 优化车架仿真分析将优化后的模型重新划分网格，采用同优化前相通的有限元建模方法设置边界条件、施加载荷，分析得到的应变云图，如图11、图12所示。

分析结果可得，在弯曲工况下，加载点的位移为0.406mm，计算弯曲刚度为2463N/mm，比优化前的弯曲刚度增加了45%，且达到规范要求。

在扭转工况下，左减振器座力矩加载点的位移为2.172mm，右减振器座的为2.153mm，计算扭转刚度为2588N·mm/rad，比优化前的扭转刚度增加了32%，达到车架的刚度要求。

为验证优化后的车架是否真正满足要求，对优化后的车架进行刚度台架试验，通过对比优化后的仿真数据和试验结果来验证优化的有效性。

为避免实验数据的离散性对结果的影响，对车架进行两次刚度台架试验。

5.1 试验背景优化后的车架需要通过道路试验和台架试验进行验证，保证其能够达到相应的设计要求。

整车试验要求场地要求过高，需要的时间较长，浪费人力物力。

与之相比，利用台架试验方法检验车架不仅可以缩短开发和试制的验证时间，而且节约成本，为新型车架的研制和改进提供了科学的有效途径[7]。

5.2 试验准备5.2.1 实验仪器设备试验装置包括：弯曲－扭转刚度测量试验台、位移传感器、位移传送器、应变仪、百分表、荷重传感器、试验数据处理计算机系统等，如图13所示。

5.2.2 测点布置试验前根据有限元计算结果，同时考虑到实际情况，将测点抽置在结构上应力和变形比较大的的位置。