某款SUV车架结构强度与刚度性能分析

喻忠



某款SUV车架结构强度与刚度性能分析

喻忠

（江铃控股有限公司，江西 南昌 330052）

以某SUV车架为例，对车架的结构特点进行分析，利用Hypermesh软件建立了车架的力学模型。对车架的约束和所受载荷进行处理，通过对车架强度和刚度进行分析计算，可以找到车架的薄弱部位，为以后设计和优化车架提供了一定的参考。

车架；强度；刚度；有限元

前言

汽车车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础，是汽车的关键承载部件。因此，车架设计在汽车总体设计中非常重要。车架要有足够的强度，以提高车辆的行驶安全可靠性，同时要求车架有一定的刚度，以使在其上的有关机构的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小。本文通过对车架进行强度和刚度性能分析，为以后车架设计改进提供了理论基础。

本文运用Hypermesh软件对某SUV底盘车架结构强度和刚度进行分析。

1 有限元模型

参考汽车底盘，考虑到车身安装和其它总成的布置，将概念设计阶段的车架大致结构拟定如下：选用边梁式梯形车架结构，由2根左右分开的纵梁和9根横梁组成，全长4.31m，宽1.12m，轴距2.76m。各梁的大致形状如图1所示。纵梁采用箱型断面，厚度3mm。建立有限元模型是有限元分析的重要的环节，模型建立的好坏对结果有很大的影响，模型的建立要遵循以下原则：忽略对整体力学性能的影响较小的几何细节，如半径5mm以下的孔洞、过渡圆角或倒角以及2mm以下的搭接边上的凸台等，而对力学性能影响较大的加强筋则予以保留，纵梁和横梁为刚性连接。

本文采用板壳单元模型，共有54206个节点，54041个单元。有限元模型计算所使用的材料为SAPH440，材料参数为：密度7.8×103kg/m3；弹性模量210GPa；泊松比0.3。

图1 某SUV车架的有限元

2 车架静态强度工况分析

汽车在行驶过程中，主要有3种常见的工况，即车架弯曲（直线行驶）、车架扭转（一轮悬空）和制动，其悬架机构以及车轮的约束与加载处理如下。

2.1 弯曲工况的约束与加载

弯曲工况下，4个车轮的约束为：左前轮约束6个自由度，右前轮、左后轮和右后轮均约束Y方向的平动自由度。查阅相关资料，该车型的允许总质量2510kg，相当于24598N。

2.2 扭转工况约束与加载

限制左前轮6个方向的自由度，左后轮、右后轮Y方向的平动自由度，同时释放右前轮所有的自由度即右前轮悬空。载荷同弯曲工况。

2.3 制动工况约束与加载

当车辆行驶时遇到紧急情况，要进行制动，取最大附着系数为0.7，则最大制动加速度为α=-0.7g。制动时，考虑前后轮不抱死情形。此时4个轮都不会离地，则4个轮都要在Z、Y方向上约束。车轮的约束方式是：限制右前轮6个方向的自由度，限制左前轮、左后轮、右后轮Y、Z方向的自由度。我们可以由车辆质量计算出所受的惯性载荷，F=mα=17218N。

图2

图2a、图2b、图2c、图2d分别为弯曲工况、扭转工况和制动工况中的车架合成应力图。最大应力均发生在前上、下摆臂和车架连接处，弯曲工况бmin=281MPa，由于前悬上、下摆臂的安装支点均在车架截面减小部分，因此弯曲时车架中部和两头在纵向面内向下弯曲。扭转工况бmax=224MPa。受载最严重。由于制动工况取前后轮同时不抱死的情形，受载最轻，бmin=166MPa。SAPH440号钢的屈服极限为305 MPa，满足设计要求。

3 车架的刚度性能分析

车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，通过性变坏。

3.1 按工况进行约束和施加载荷

在分析车架弯曲刚度的时候，需要将车架上与前悬和后悬连接处点的y，z两个方向的平动自由度进行约束，然后在车架纵梁中间处施加一个对称垂直载荷，大小为1000N。

在分析车架扭转刚度的时候，车架需要加的载荷是反对称载荷，并且其约束也和弯曲刚度不同。可以在车架的两端的三个点约束住所有自由度，在车架安装摆臂中间处施加载荷，大小为1000N。

本文利用MSC公司的Nastran求解器对该车架有限元模型进行弯曲刚度求解。得到图3a 车架各部分在弯曲工况下的位移数值曲线图。弯曲刚度为2024.29N/mm。

同弯曲刚度求解。得到图3b车架各部分的扭转工况下的位移数值曲线图。扭转刚度为79659Nm/rad。

图3

4 结论

本文对所需要分析的车架进行了结构特点分析，并且对车架结构进行简化处理，通过分析单元类型，进行单元选择，利用Hypermesh建立车架的力学模型，并进行网格划分形成有限元计算模型，通过对车架的约束和所受载荷进行一定处理，对车架静强度及刚度进行分析计算，利用有限元法准确地分析车架在静态载荷下的应力分布状况和变形状况，方便找出薄弱环节，为车架设计及优化提供了一定的理论依据。

[1] 谭继锦.汽车有限元法[M],北京:人民交通出版社,2005.

[2] 余志生.汽车理论（第2版）[M],北京:机械工业出版社,1988.

[3] 汽车工程手册设计篇, [M],北京:人民交通出版社,2001.

[4] 李西亚,李成刚,胡于进.车架有限元分析技术发展综述[J].专用汽车,2001,（1）:13~15.

Analysis of structural strength and stiffness performance of an SUV frame

Yu Zhong

( Jiangling Holdings Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330052 )

Taking an SUV frame as an example, the structural characteristics of the frame are analyzed, and the mechanical model of the frame is established by using Hypermesh software. By analyzing and calculating the strength and stiffness of the frame, the weak parts of the frame can be found, which provides a certain reference for the future design and optimiza -tion of the frame.

frame; Strength; Stiffness; Finite element

B

1671-7988(2018)22-206-02

U463.32

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喻忠（1976-），男，江西南昌，汽车工程师。研究方向：汽车底盘系统开发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.073