基于HyperWorks有限元分析的某重型商用车车架轻量化纵梁结构及性能研究

鲍伟东，王晓龙，苗永



基于HyperWorks有限元分析的某重型商用车车架轻量化纵梁结构及性能研究

鲍伟东，王晓龙，苗永

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

对于重型商用车来说，车架纵梁的结构形式与其装载货物的类型和重量密切相关，车架纵梁的结构形式对车架的承载能力、抗扭性能起着非常重要的作用。文章针对新开发的高强钢、单层梁车架开展CAE仿真分析，并与现有的双层梁结构的车架进行对比，最终确定单层梁车架的模态、刚度、强度满足标载车型的使用要求。

轻量化；车架；纵梁；强度；刚度

引言

随着社会经济的不断发展，用户对重型商用车的认识已不仅仅局限于简单的物流工具，他们对于车辆性能的要求越来越高。用户不仅要求在法规允许的总质量条件下货运量更大，还要求车辆具有较高的可靠性和舒适性。车架是整个车辆的装配基体，是用来支撑、连接车辆各零部件、承受来自车辆内外各种载荷的关键总成，良好车架结构和性能是降低车辆底盘自重、提高车辆可靠性和舒适性的关键因素。

文章研究了不同车架纵梁结构形式对车架总成性能的影响，对轻量化单层梁车架进行模态分析、扭转模量分析、弯曲刚度及强度分析，并与现有的双层梁车架进行对比，最终确定单层梁车架满足性能要求。轻量化单层梁车架降低了车辆的成本和自重，同时带来了企业产品成本的降低和用户收益的提升。

1 车架纵梁结构设计

按照整车布置及制造形式，车架分为边梁式、中梁式（或称脊骨式）和综合式。重型商用车大多采用承载能力强、制造工艺简单的边梁式车架。边梁式车架由位于左右两侧的纵梁和若干横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。其中，纵梁多采用抗弯能力较强的槽型截面设计。

按照车辆装载货物的类型及重量区分，目前常见的车架纵梁可分为双层梁车架、三层梁车架等结构，如图1所示。双层梁车架一般用于标载运输，三层梁车架一般用于重载运输。本文对车架进行合理的结构优化设计，形成高强钢、单层梁车架的设计方案，如图2所示。相比双层梁车架，高强钢、单层梁车架具有加工方便、成本低、自重轻的特点，而且标载情况下车架承载能力相当。

图1 常见车架纵梁结构形式

图2 单层梁车架

作为对比分析，文章在相同的工况下，对双层梁车架与单层梁车架进行模态分析、扭转模量分析、弯曲刚度及强度分析，并对所得结果进行对比，对单层梁车架的性能进行评价。

2 车架有限元分析

2.1 模型的建立

图3 两种结构的车架纵梁有限元分析模型

将车架的CATIA三维模型（含前端附件、管梁、板簧支座）转换为stp格式，导入HyperMesh进行前处理工作。建立车架有限元分析模型时，钣金件用壳单元模拟，单元平均尺寸10mm；铸造件用四面体单元模拟，单元平均尺寸5mm。模型网格以四边形（理想网格）为主，含少数三角形单元。对于螺栓连接和铆钉连接，采用刚性单元RBE2与梁单元cbar相结合的形式，避免出现局部刚度突变，以提供较好的局部刚度效果。双层梁车架与单层梁车架有限元分析模型如图3所示。

2.2 边界条件及施加载荷

根据车架的实际受力情况，双层梁车架与单层梁车架按相同的装载货物质量以均布载荷的形式加载到副车架上，如图3。随车附件（如安装在纵梁上的燃油箱、蓄电池箱等）质量按实际的装配和固定位置在几何中心模拟质心单元，其它结构件的质量通过HyperMesh定义密度即可。

2.3 有限元分析结果

2.3.1 车架自由模态分析结果

通过HyperMesh进行有限元分析，最终得出双层梁、单层梁两种结构车架的自由模态分析结果，如下表1。

表1 两种纵梁结构下的车架自由模态分析结果

由上表车架自由模态分析结果可以看出，双层梁与单层梁车架自由模态的频率基本一致。

2.3.2 车架扭转模量分析结果

双层梁与单层梁车架基于HyperMesh的扭转模量分析结果如图4所示。

a) 双层梁车架 b) 单层梁车架

基本所有的国内商用车生产厂家均采用ECS评价指标，即It Target Range大于3× 106mm4。通过对双层梁与单层梁车架扭转模量的分析结果可以看出，值基本一致，且均大于ECS的推荐值（大于3×106mm4），具体计算如下：

车架扭转惯性矩（Frame Torsional Moment of Inertia）(单位：mm4)

扭矩（Torsional Moment Axle Position）(单位：N.mm)

两支点间的距离（Wheelbase/Distance between Load -ing Points）(单位：mm)

剪切模量（Shear Modulus）(单位：N/mm2)

（Twist Angle）(单位：rad)

双层梁-扭转模量计算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1083rad

满足ECS推荐值。

单层梁-扭转模量计算

10000N×900mm=9000000Nmm

4000mm

80000N/mm2

0.1233rad

满足ECS推荐值。

2.3.3 车架弯曲刚度分析结果

车架弯曲刚度分析结果如图5。在前板簧后支架与后板簧前支架中心处的车架上翼面施加沿Z向向下的载荷20000N。

图5 两种车架结构的弯曲刚度分析

通过对双层梁车架与单层梁车架弯曲刚度分析可以看出，在加载相同的载荷条件下，加载点Z向的位移基本相同，因此弯曲刚度也基本相同，具体计算如下。

双层梁-弯曲刚度计算：

=0.667mm；=4000mm

注：为加载点Z向位移量。

单层梁-弯曲刚度计算：

=0.718mm；L=4000mm

注：为加载点Z向位移量。

2.3.4 车架强度分析结果

通过有限元分析得出两种结构下车架的安全因子云图，如图6～图9所示。

图6 车架垂向受力时安全因子云图

图7 车辆转弯时安全因子云图

图8 车架扭转时安全因子云图

图9 车辆制动时安全因子云图

通过仿真分析，得出两种车架结构的最小安全因子如表2。

表2 两种车架结构的安全因子

从分析结果可以看出，在垂向受力、车辆转弯、车架扭转、车辆制动四个工况时，单层梁车架的技术状态均达到要求。

3 结论

通过HyperMesh对双层梁车架与单层梁车架进行模态、扭转模量、车架强度仿真分析，具体如下：

（1）车架模态分析：车架一阶扭转频率为3.93 Hz（双层梁车架）和3.91 Hz（单层梁车架），一阶横摆频率为9.86 Hz（双层梁车架）和9.83 Hz（单层梁车架），一阶弯曲频率为11.95 Hz（双层梁车架）和11.84 Hz（单层梁车架）。单层梁车架的一阶扭转频率、横摆频率、弯曲频率分别与双层梁车架基本一致。

（2）扭转模量分析：车架扭转模量为4.16×106mm4/rad（双层梁车架）和3.65×106mm4/rad （单层梁车架），大于推荐目标值3×106，满足要求。

（3）弯曲刚度分析：车架弯曲刚度为1.92×1015N·mm2（双层梁车架）和1.78×1015N·mm2（单层梁车架）。

（4）车架强度分析：单层梁车架的安全因子均大于等于1。

因此，在标载运输下，单层梁车架结构可满足使用要求。

[1] 陈家瑞.汽车构造下册（第三版）[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 熊永华,杜发荣,高峰,等.轻型载货汽车车架动态特性分析与研究[J].机械设计,2007,24(4):32-35.

[3] 钟佩思,赵丹,孙雪颜,等.基于ANSYS的汽车车架的建模与模态分析[J].机械设计及制造,2008,06(06):52-53.

Research on Structure and Performance of Lightweight Longitudinal Beam of aHeavy Commercial Vehicle Frame Based on HyperWorks Finite Element Analysis

Bao Weidong, Wang Xiaolong, Miao Yong

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

For heavy commercial vehicles, the structural form of the frame rails is closely related to the type and weight of the loaded goods. The structural form of the frame rails plays a very important role in the bearing capacity and torsion resistance of the frame. In this paper, the CAE simulation analysis of the newly developed high-strength steel and single-story beam frame is carried out, and compared with the existing double-layer beam structure frame, the modal, stiffness and strength of the single-story beam frame are finally determined to meet the standard load. The use requirements of the model.

Lightweight; FrameStringer; Strength; Stiffness

A

1671-7988(2018)18-54-04

U462

A

1671-7988(2018)18-54-04

CLC NO.: U462

鲍伟东，就职于陕西重型汽车有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.020