某全框式前副车架有限元分析与优化
2018-11-20连昊，陈剑，朱波
连 昊，陈 剑，朱 波
（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）
副车架作为车身与汽车悬挂连接部件之间的一种辅助装置，是汽车底盘的一个重要零件。在上个世纪八九十年代，前副车架结构在国内生产的A级车中还并不普遍。当时小型车采用的主要是麦弗逊式悬架，并且通过车身上的特殊定位结构与悬架上的控制摇臂相连接。目前，随着汽车工业对整车零部件模块化的要求越来越强烈，采用前副车架结构的A级车型等微型车越来越普遍[1]，在提高舒适性的同时大大降低了开发成本。
某车型前悬采用全框式前副车架，其结构由上下片、左右纵臂、前框、弯管、套管、前点安装支架以及若干加强板和支架焊接而成，并通过6个装有衬套的套管与车身连接。下面将利用有限元软件对前副车架进行结构强度分析，以校核其是否满足结构强度要求。
1 前副车架结构强度分析
1.1 前副车架的有限元模型
将前副车架数模进行适当简化后抽取中面，将中面数模导入Hypermesh中进行有限元模型创建。由于该副车架组成零件均为薄板件，故采用Shell壳单元模拟，单元大小3 mm，焊缝连接采用seam功能创建，用四边形壳单元模拟，衬套采用六面体实体单元模拟；后副车架安装点与载荷力施加点处采用rbe2单元进行处理，最后得到前副车架的有限元模型，如图1所示。除上片采用QSTE380（屈服强度为380 MPa）外，其余零件材料为SAPH440，其屈服强度为305 MPa.
图1 前副车架有限元模型
1.2 前副车架强度分析
前副车架在整车行驶时有向前制动、过双侧凸包、过单侧深坑、极限转向等12个工况，其中过单侧深坑工况最为恶劣，工况系数为xz（1.5，4.5），故下面以该工况为例对前副车架进行强度分析。
该前副车架通过六个衬套与车身连接，故对六个衬套在x、y、z三个方向的平移自由度进行约束，释放其旋转自由度。将ADAMS动力学分析得出的过单侧深坑工况下前副车架各硬点受到的力和力矩（如表1所示）输入到Hypermesh中，将对应的力和力矩施加在对应硬点上。利用Radioss求解器对前副车架有限元模型进行分析计算，得到该工况下前副车架的应力云图，如图2所示。
表1 过单侧深坑工况下前副车架各硬点受到的力和力矩
图2 前副车架应力云图（正面+反面）
前副车架最大应力位于下片与纵臂搭接圆环焊缝处，应力值为452.7 MPa，如图3所示，远大于材料屈服强度305 MPa；第二大应力位于纵臂内侧圆弧缺口处，应力值为411.7 MPa，如图4所示，远大于材料屈服强度305 MPa.从分析的结果上来看，纵臂与上下片搭接结构存在设计缺陷，故下面对前副车架进行优化设计。
图3 最大应力处
图4 第二大应力处
2 前副车架优化设计
2.1 优化设计
原方案中，由于纵臂的上下臂搭接的结构，导致纵臂与上下片搭接存在一段无法搭接的空挡区，如图5所示，从而使得此处强度不足，下片与纵臂搭接处应力过大。同时，纵臂为了避开转向器安装柱，在内侧开了一个圆弧缺口（见图6），此处纵臂的上下臂搭接焊缝被断开，导致此处存在强度缺陷，从而纵臂内侧圆弧缺口处应力过大。
图5 原方案纵臂与上下片搭接结构
图6 原方案纵臂内侧圆弧缺口
针对上述问题分析，对前副车架进行优化设计，将纵臂与上下片搭接处延伸出来，使原结构薄弱处变为一个整体，把纵臂与上下片搭接处向中间移动，如图7所示，纵臂与上下片具体搭接结构如图8所示。同时纵臂在与上下片搭接处附近增加一个加强板，如图9所示，对结构进行加强，同时对刚度也有提升。
图7 优化方案有限元模型
图8 优化方案纵臂与上下片搭接结构
图9 纵臂内置加强板
2.2 优化方案强度分析
将优化数模导入Hypermesh中进行结构强度计算，同样得到优化方案在过单侧深坑工况下的应力云图，如图10所示。其中，除下片采用QSTE380（屈服强度为380 MPa）外，其余零件材料为SAPH440，其屈服强度为305 MPa.
图10 优化方案前副车架应力云图（正面+反面）
前副车架最大应力位于下片上，为下片与纵臂搭接处，应力值为317.4 MPa，如图11所示，小于材料屈服强度380 MPa；其余零件最大应力位于纵臂与弯管连接上端，应力值为290.4 MPa，如图12所示，小于材料屈服强度305 MPa.从分析的结果上来看，优化后前副车架满足结构强度要求。
图11 优化方案最大应力处
图12 优化方案第二大应力处
优化后，前副车架重量为35.43 kg，比优化前36.73 kg轻了1.3 kg，起到了一定的轻量化作用。
3 结束语
对前副车架进行结构强度有限元分析发现了其存在一定的结构缺陷，经过对结构缺陷的分析找到了问题所在，通过对纵臂与上下片的搭接结构进行优化设计，使前副车架满足结构强度要求，同时还降低了重量，达到了优化的目的，而且此优化设计对同类产品也可起到借鉴作用。
