国内外车架结构研究现状

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(1.华北理工大学机械工程学院 河北 唐山 063009；2.北京科技大学机械学院 北京 100000)

国内外车架结构研究现状

楚京1龙海洋1裴未迟1,2张硕1叶晓蒙1

(1.华北理工大学机械工程学院河北唐山063009；2.北京科技大学机械学院北京100000)

对目前车架结构的研究现状进行了比较全面的综述，将有限元技术应用于汽车的结构设计分析，提出改进意见，使结构能够满足强度和刚度要求，已经成为汽车设计的重要组成部分。目前用有限元计算方法分析和设计汽车的车架结构得到了很好的发展，对以后的深入研究有重要意义。

车架；有限元；汽车设计

前言

车架是汽车整车的主要受力基体部分，车架工作带来的振动必然会影响汽车的乘坐舒适应、安全性和使用寿命，所以车架动态的研究十分必要。因车架受力状态复杂、设计难度较大，许多学者采用有限元方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析，对车架结构设计提供指导。

一、国外研究现状

上世纪60年代，美国及其他国家就曾应用有限元方法来确定车架强度，刚度等静态特性。70年代，美国应用NASTRAN不仅对车架进行静态分析，而且有效地优化了车身结构，改善其应力分布状态，提供了应用有限元方法设计车身结构的新思路。在80年代，三菱公司应用相关程序对车身骨架进行了有限元分析。进入90年代后，计算机辅助分析(CAE)技术不只用于车架结构的仿真分析，更在车身结构设计的初始阶段应用拓扑优化设计，使汽车车身结构初始设计不再依靠经验或改进结构来设计。美国福特汽车公司曾经为了提高车辆乘坐舒适性，将有限元分析应用到新车研发项目中，并取得了满意的研究结果。

2004年和详细论述了如何运用有限元法对车身结构进行模态分析，并依据分析结果提出合理的车架结构改进方案[1]。2005年，BALZS GOMBOR建立了基于ADAMS的车辆动态模型，并将试验测试结果与静力学结果进行比较，得到了良好的研究结果。2008年，Koprubasi Kerem构建了混合电动汽车动态模型，并对模型进行纵向响应分析，依据分析结果对模型进行改进，进一步提高车辆的运行性能。2010年，Jagadeep Thota进行了对车架施加冲击载荷的研究，来确定其结构强度能否满足安全使用要求。同时研究以提升强度和减轻车身质量为优化目标，对整体结构进行优化分析研究，得出总质量可减轻25%的结果。2014年，Goran N.Radoicic在非线性动态特性研究方面得到了一定成果。其在对起重机车架结构进行瞬态响应分析时应用有限元法，从而得到其敏感性表征参数[2]。

二、国内研究发展现状

对于有限元方法，国内在上世纪80年代才展开研究。上世纪七十年代末，谷安涛等人对汽车车架进行了有限元分析并发表相关文章。随着计算机技术的高速发展，国内学者对车架结构研究逐层深入。

2007年，刘杨等人提出了一种全新的车架有限元模型构建方法即利用板单元法。同时为了解决车架强度低、刚度小等问题，其还运用拓扑优化理论对车身骨架进行了分析，最后研究出一种新型有限元模型。

2009年，南京航空航天大学的徐晓娜通过对车身在五种工况下的强度分析，找出车身薄弱结构，并提出了相应的改进意见，然后以减轻车身质量为目标，应用DOE分析方法，在确保其动态性能不变的情况下，达到了车架轻量化的目的，得到了DOE分析方法在车架轻量化方面具有可行性的结论。

2010年，哈尔滨工程大学的匡霞针对长春某型号客车车架在使用3～5年后产生裂纹的问题，对裂纹处进行了随机振动研究，找到了容易产生裂纹的危险区域，并进行随机疲劳寿命研究，找到车架的破坏原因[3]。

2013年，湖南大学的王玉涛以预测某型矿用自卸车车架疲劳寿命为出发点，对车架整体进行了全寿命分析，结合整车动力学模型仿真结果和有限元模态分析结果，绘制出该车架的疲劳寿命分布图[4]。

2015年，苏瑞意等人以轻量化为目标，结合遗传算法，构建出新型的车架拓扑优化数学模型，并将实际情况与优化方案相结合进一步改进了车架。改进后整车扭转刚度及材料利用率均得到提高，同时整车质量降低[5]。

2016年，李福强等人在某型号自走式玉米收割机上设计了应变信号采集试验，采集到危险位置处动态应变信号，同时结合功率密度疲劳分析原理，成功预测出危险点处疲劳寿命，故其成为一种全新的预测方法[6]。

三、结论

有限元法在汽车产品设计中的应用同趋成熟并取得了很大成果。车架承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，其设计的合理与否直接关系到整车设计的成败，如何设计合理的车架已经成为现代汽车设计的重要内容之一。有限元技术现已渐渐融入汽车设计的每个环节。我国对汽车的设计也逐渐地由传统依赖经验和仿制国外产品设计向基于有限元技术分析设计转变。

[1]HADAD H,RAMEZANI A.Finite Element Model Updating of a Vehicle Chassis Frame[J].Proceedings of the 2004 International Conference on Noise and Vibration Engineering,2004,5(3):1817-1831.

[2]GORAN N,RADOICIC,MIOMIR L J.Non-linear incidental dynamics of frame structures[J].Structural Engineering and Mechanics,2012,52(6):1193-1208.

[3]匡霞.CA6120U22D1型客车车架的随机振动和疲劳分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

[4]王玉涛.基于模态应力恢复的矿用自卸车车架疲劳寿命研究[D].长沙:湖南大学,2013.

[5]苏瑞意,钟薇,桂良进,等.全承载大客车车架的拓扑优化设计[J].汽车安全与节能学报,2015(1):66-71.

[6]李福强,刘守荣,毛恩荣,等.基于功率密度的玉米收获机车架疲劳分析[J].农业工程学报,2016,32(10):34-40.