汽车车架的有限元分析及优化设计研究

彭永子



汽车车架的有限元分析及优化设计研究

彭永子

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

随着经济社会的快速发展，汽车的使用越来越普遍化，但是汽车车架作为汽车总成的一部分,承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，并且汽车上许多重要总成件都是以汽车车架为载体。因此车架的强度和刚度在汽车总体设计中起到了非常重要的作用。本文主要针对有限元设计方法以及优化设计类型进行介绍，并通过对汽车车架在行驶运载中的不同工况下（满载弯曲工况、满载扭转工况、满载紧急转弯工况、满载紧急制动工况）的理论分析，并提出对车架结构参数的可以优化修改的建议。本文的研究工作对车架的设计、改造和优化等方面具有重要的参考价值和指导意义。

汽车车架；有限元分析；优化设计

前言

汽车车架作为汽车的承重载体，它不仅承受来自货物、动力系统、传动系统的载重，而且也承受汽车各方面的各种力矩的工作状态。为了保证汽车车架满足结构强度和工作性能又能使汽车车架达到轻量化设计的目的。对此作者采用有限元模型的建立，对汽车的不同工况下的行驶状态，对汽车车架进行有限元分析，分析结构强度的满足状态。这样就解决了由于工况的复杂性而不能仅仅利用应力的分析计算进行优化，而需要更加科学有效的设计方法。

汽车车架结构可以简化为由一组梁单元组成的框架结构，以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性模拟车架纵、横梁的连接状况。

1 有限元方法

有限元主要是把连续的结构分解成多个单元组或单元，利用对这些单元的分析结果应用展开到对整体结构性能的分析。对于现在的方法主要是在计算机中实现有限元的分析。有限元分析有如下特点：

（1）有限元分析方法适用于各种的工程结构，本文所分析的汽车车架的形状不受约束，并且CAD的形状不会影响有限元模型的建立。

（2）在利用有限元分析时，汽车车架的单元材料属性可以按照实物的实际情况来确定，也不需要考虑格结构之间的影响。

（3）在有限元分析时，可以根据汽车车架的实际载荷情况和约束情况下，研究汽车车架不同行驶工况下的各种性能，提高效率和准确性，发现载荷与约束力之间的相互关系。汽车车架有限元分析的步骤如下：

将汽车车架的三维实物图的结构离散化，再将其分解成更多小单元，找出一汽车车架的事务的各个部分一致的单元进行匹配，最后来确定单元的大小、数量以及布置情况；为了确定结构的位移，需要取有限元模型中的任意单元进行分析；在进行有限元模拟计算时，要对个单元的载荷向量和刚度矩阵进行推导，最后得到如下等式：

[K]｛｝=｛｝

[K]为整体结构的总刚度矩阵，｛｝为整体结构位移，｛｝为作用在整体结构上的有限元结点得的外力。

2 优化设计的类型

按照设计的变量类型不同可以将对模型的优化分为截面尺寸优化、形状优化、硕扑优化以及结构类型和材料的优化。

（1）截面尺寸优化

在优化设计过程中，对结构的尺寸参数，例如车架的截面尺寸、厚度等作为设计的变量。

（2）形状优化

在优化设计过程中，通过改变结构的内外边界的形状来改善汽车车架的结构性能以及达到节省材料的目的。

（3）拓扑优化

在优化工程中，拓扑优化主要在构件间的相互联系进行分析，例如对结构内有无空隙、以及空洞的数量等，再通过保证结构的性能的前提下，对其优化，使其某种性能达到最优值。

3 汽车车架的工况分析

汽车车架的材料一般会选用钢材或其他塑性材料，而所选用车架材料的失效形式以材料发生塑性变形为标志，因此在对汽车车架的静态强度校核根据第四强度理论。公式如下：

强度条件表示为：

σ≤[]

[]为许用应力。

在汽车行驶过程中，汽车车架承受多方面的载荷受力，汽车车架的受力主要分为弯曲载荷、扭转载荷、横向载荷以及纵向载荷等。其中弯曲载荷主要是由车身、车载设备等的质量在重力作用下产生，弯曲工况下汽车四轮均着地；扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支承；横向载荷主要是由汽车转向时的离心力作用而产生的；纵向载荷则是由于汽车在加速、制动时的惯性力的作用而产生的。

（1）满载弯曲工况

汽车在满载行驶过程中，车轮与地面完全接触车架承受满载时的静载荷，并且汽车处于平衡状态，计算汽车车架纵梁截面的最大弯曲应力。

根据有限元分析软件对满载平衡状态下的车架有限元模型进行分析计算，得到汽车在满载弯曲工况的最大变形为6.34mm发生在后段汽车车架的右后方位置，最大弯曲应力为174MPa，分析汽车车架的纵向约束力以及横纵约束力都符合要求。

（2）满载扭转工况

汽车在满载扭转工况的行驶过程中，地面的凹凸不平给使汽车在行驶过程中会受到扭转载荷的作用，对汽车产生非对称支撑，对车架有扭矩作用。本文在利用有限元分析软件中，得到该工况下车架的最大变形为5.41mm，同时纵梁的最大应力达到了157MPa，应力强度满足材料屈服极限290-385MPa。

（3）满载紧急转弯工况

汽车满载紧急转弯工况中，由于汽车的转弯，产生了侧向的离心力。离心加速度由汽车转速和转弯半径决定，同理在转弯的时候必然会有减速的过程，所以还有减速加速度。离心力的大小还受到车载质量的影响。本文在利用有限元分析软件中，得到该工况下车架的最大变形为8.43mm，同时纵梁的最大应力达到了189MPa，应力强度满足材料屈服极限290-385MPa。

（4）满载紧急制动工况

汽车车架在满载紧急制动工况行驶过程中，由于行驶工况的改变，车辆会加速或者减速，并且满载汽车的质量相对比较大，故而产生的惯性力也会偏大，同时惯性力还和汽车的加速度有关。汽车的惯性力使车架将承受和行驶方向相反的纵向载荷的作用。惯性力会对车架产生相应的应力与位移的变化。本文在利用有限元分析软件中，得到该工况下车架的最大变形为5.03mm，同时纵梁的最大应力达到了245MPa，应力强度满足材料屈服极限290-385MPa。

4 汽车车架的优化设计

根据上述过程中对汽车车架的分析，本文对汽车车架改进方面提出以下建议：

（1）采用综合力学性能好的材料，即弹性模量大，密度小的材料，质量轻，或采用高强钢；

（2）对汽车车架的尺寸、形状进行优化改变。

（3）在保证车架刚度和强度的前提下，对车架进行轻量化，避免车架过重使车架疲劳寿命缩短，使车辆的燃油经济性变好，减少运营成本；

（4）车架的连接方式采用铆钉。铆钉连接抵抗塑性变形的能力较强，连接性能较好，构造简单；

（5）在车架前端增加一根横梁。这样能够使车架结构更加稳固，更能够抵抗车架的变形。

5 总结与展望

本文针对汽车车架在载荷运输过程中所出现的不良现象，利用有限元分析软件建立汽车车架结构的有限元仿真模型，对车架结构的应力分布进行计算，分析出车架的问题所在，并通过现有条件对车架的结构设计和成形工艺进行优化设计，为汽车车架结构的优化设计和工艺改造提供了理论参考和技术支撑。

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Study on finite element analysis and optimization design of automobile frame

Peng Yongzi

( Chang'an University Automobile School, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the rapid development of economy and society, the use of automobile is more and more common. However, as a part of automobile assembly, automobile frame bears various complicated loads from road and loading, and many important components of automobile are carried by automobile frame. Therefore, the strength and stiffness of the frame play a very important role in the overall design of the vehicle. This paper focuses on the finite element method to design and optimize design introduces the types, and through to the chassis frame in driving vehicle under different working conditions (full load working condition of bending and torsion condition, carrying emergency condition, carrying emer -gency braking conditions turn) is analyzed, and puts forward the frame structure parameters can be optimized modification Suggestions. The research work in this paper has important reference value and guiding significance to the design, transformation and optimization of the frame.

Automobile frame; finite element analysis; optimization design

A

1671-7988(2018)22-49-03

U462

A

1671-7988(2018)22-49-03

U462

彭永子（1991-），男，湖北省天门人，学生，硕士，单位：长安大学汽车学院，研究方向：车辆CAE技术。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.016