基于MSC.NASTRAN的一种载货车车架设计

童世伟，白亚鹏，张永生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MSC.NASTRAN的一种载货车车架设计

童世伟，白亚鹏，张永生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介绍了商用车车架的功能及设计要求，从计算机辅助设计角度出发，介绍了一款优秀的有限元分析软件MSC.NASTRAN，并提出了基于MSC.NASTRAN的汽车车架强度计算分析方法。

车架设计；有限元分析；MSC.NASTRAN；优化设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.024

CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-68-03

引言

汽车车架受力复杂，承载各零部件的自重及传给车架的各种力和力矩，汽车行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力也要传递到车架上。在车架的设计中，借助高逼近性软件，应用CAE设计，进行计算、分析、预测与模拟，可以优化产品结构，提高研发效率，降低设计开发成本。

1、本文的任务

基于车架性能要求以及设计中计算机分析工具的应用，本文做如下几个方面的探讨：

（1）车架的功用及设计要求；

（2）MSC.NASTRAN的基本功能及使用方法；

（3）基于MSC.NASTRAN的车架CAE分析。

2、车架的功用及设计要求

商用汽车车架一般采用边框式车架，优点是承载能力强，抗扭刚度大，结构简单，生产工艺要求较低，开发容易。

在设计和使用时对汽车车架的要求如下：

（1）具有足够的强度，保证在汽车大修里程内，车架的主要零部件不因受力而破坏；

（2）具有足够的抗弯刚度，以免车架上的总成因变形过大而发生早期损坏；

（3）车架要有合适的扭转刚度，车架两端的扭转刚度大些，而中间一段小些；

（4）车架要轻，一般其自身质量应在整车整备质量的10%以内。

（5）边梁式车架纵梁的形状应力求简单，断面沿长度不变或少变化，这样可以简化工艺。

3、MSC.NASTRAN简介

MSC.NASTRAN由美国MSC 公司与Computer Sciences和 Martin 公司开发，具有如下主要特点：

3.1 具有标准的输入和输出格式

MSC.NASTRAN 的输入和输出数据文件相当格式化，可以直接由文本编辑器书写，几乎所有的CAD/CAM 系统都竞相开发了其与MSC.NASTRAN 的直接接口。

3.2 支持全范围的材料模式、载荷和边界条件

MSC.NASTRAN 支持的材料模式，包括均质各向同性材料，正交各向异性材料，各向异性材料，随温度变化的材料。MSC.NASTRAN 可以通过对约束点或约束处的描述反映边界条件，可以处理各种边界条件。

3.3 求解精度和运算效率高、计算时间短

MSC.NASTRAN 能够有效地求解大模型，其稀疏矩阵算法速度快而且占用磁盘空间少，节点能够自动排序以减小半带宽，再启动功能可以利用已有的计算结果继续计算。通过不断地对数值计算方法的进行优化以及采用先进的计算单元，极大地提高了分析时间和速度，求解精度也相对提高。

3.4 软件可靠性好、分析的范围广

MSC.NASTRAN可以用于静力分析、模态分析、屈曲分析、热应力分析、流固耦合、动力响应分析、热传导分析、非线性分析、设计灵敏度分析、优化分析、超单元分析、气动弹性分析。MSC.NASTRAN在汽车结构分析中应用十分广泛，特别是在车身车架的结构强度、刚度、模态、响应分析中占有重要的地位。

4、计算分析

车架设计分析主要是考察车架在弯曲和扭转时的受力情况，以确定车架弯曲、扭转时的边界条件。本文做弯曲强度和扭转强度计算分析。

4.1 三维模型的建立

采用UG 软件对该车架总成进行三维建模，如图1所示：

图1 6×2双前桥载货车的车架模型

4.2 前处理概述

车架模型从UG中以igs形式导出，然后将其导入至Hypermesh中进行车架的网格划分、属性定义以及连接、力和约束的施加赋值。车架结构中的小尺寸结构，如板簧吊耳、副簧限位件等，对车架的整体影响不大，可以忽略不计。而对于链接两个零件的铆钉，则采用刚性单元代替。车架结构都采用板壳单元进行离散。单元形态以四边形单元为主，避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大。完成后的整个车架被划分为235251 个节点， 226075个壳单元。

车架所承受的力包括载重力、驾驶室的重力、发动机的重力。坐标为整车坐标系，列举弯曲工况下车架总成受力。

模型参数包括：前板簧刚度为473N/mm，后板簧刚度为540N/mm，发动机质量650kg，驾驶室质量为880kg，左、右纵梁选用常用的汽车大梁钢550L-8 GB/T3273，横梁则采用510L钢材。材料550L的弹性模量E=210GPa，泊松比=0.3，密度=7.83E-6Kg/mm3，屈服极限为400MPa。材料510L的弹性模量E=210GPa，泊松比=0.3，密度=7.53E-6Kg/mm3，屈服极限为355MPa。

表1 主梁、横梁材料属性

4.3 计算及结果分析

把处理后的文件导入MSC.NASTRAN进行计算分析，得出如下结果：

4.3.1 弯曲工况下的计算结果见图2

图2 弯曲工况应力云图

从图2所示结果可以看出整体应力分布均匀。弯曲工况应力最大值为186MPa，未超出材料屈服极限。

4.3.2 扭转工况下的计算结果见图3

图3 扭转工况应力云图

从图3所示结果可以看出，整体应力分布比较均匀，只是在局部出现应力集中。当总质量30t时，扭转工况应力最大值为459MPa，超出材料屈服极限。

计算可知该结构存在不足，当载重30t时局部应力过大，不能满足使用条件，需要做优化处理。

5、优化设计

5.1 优化方案

图4 加强梁位置示意图

从应力云图可知应力过大的位置在后悬架部位，因此对后悬架部位做局部加强，以降低应力，使车架满足强度要求。加强形式为内加5mm的U型加强梁，材料为550L。加强方式如图4所示：

左、右加强梁材料属性如下表所示。

A truck frame design based on MSC.NASTRAN

Tong Shiwei, Bai Yapeng, Zhang Yongsheng
(Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601)

This paper introduces the function and design requirements of vehicle frame, and introduces an excellent finite element analysis software MSC.NASTRAN, and puts forward a method of calculating and analyzing the strength of automobile frame based on MSC.NASTRAN.

Automobile frame design; Finite element analysis（FEA）; MSC.NASTRAN; Optimize design

U463.1

A

1671-7988 (2016)12-68-03

童世伟，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。