基于有限元法的某8×4重型载货车车架轻量化仿真分析

胡锐

基于有限元法的某8×4重型载货车车架轻量化仿真分析

胡锐

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着国家对安全、减重、节能和环保的重视，重卡轻量化的需求日益迫切。车架作为重卡最大的零部件，在满足强度的同时减轻重量成为轻量化的重点研究对象。文章基于有限元法对某8×4载货车车架进行轻量化仿真分析，对优化前后的车架各零部件的安全系数及总成模态值进行对比，确认方案的可行性。

轻量化；车架；仿真

前言

随着国家对于汽车节能减排的要求日益提升，轻量化作为节能减排的重要手段已成为商用车整车开发的重要课题。商用车车架作为商用车上的重要结构部件，重量一般能达到整车自重的10%以上。目前国外重卡如万国、奔驰等开始采用高强钢作为纵梁、横梁材料，实现了车架的轻量化设计。国内高强钢材料加工技术的进步，在保证车架具有足够强度和刚度的同时进行轻量化设计具有非常重要的实用价值。为在重卡车架上应用高强钢材料，实现车架结构优化和轻量化，采用CAE仿真分析、性能试验、工艺改进等手段优化重卡车架结构，在保证强度及可靠性的基础上实现轻量化目标[1]。

1 项目范围

该项目基于某8×4重型载货车，通过对车架总成零部件梳理，根据整车轻量化要求，确定降重目标（不低于自重的10%）；通过CAE分析工具，实现对车架纵梁、横梁、支架等材料更换和结构优化，实现降重、降成本目的。

表1 车架部分参数

2 分析过程

2.1 有限元分析内容

（1）最大载荷作用下，考察原车架的位移和应力。

（2）考察各个零件的安全系数，确定轻量化方案。

（3）最大载荷作用下，考察轻量化车架的位移和应力。

（4）考察轻量化车架各个零件的安全系数。

（5）考察优化前后车架的自由模态性能，提取前8阶模态。

（6）有限元模型、零件、材料信息。

各横梁、纵梁和加固板的划分采用边长为10mm的四边形板壳单元（Shell），圆管梁划分采用边长为5mm的四面体单元（Solid）。车架承受驾驶室、动力总成、蓄电池、油箱、货箱+货物以及车架自身重力的作用。车架由8个吊耳以及2个后桥安装支座支撑全部载荷，在模型中约束这些位置的全部自由度[2]。

图2 车架有限元模型

2.2 最大载荷作用下原车架的静力学分析

2.3 最大载荷作用下原零件的安全系数及轻量化方案

表2 原车架轻量化方案

2.4 最大载荷作用下轻量化车架的静力学分析及安全系数

图4 轻量化车架总成、车架各横梁应力、应变云图

表3 轻量化车架各零部件安全系数

2.5 原车架及轻量化车架的自由模态分析

图5 优化前后车架前8阶模态

模态分析就是确定设计结构或零部件的振动特性，得到结构固有频率和振型的过程，他是动态设计的核心。研究的是结构模态即自由模态，是结构本身的特性与材料特性所决定的，与外载条件等无关（即无需加载任何载荷和约束），而结构在任意初始条件及外载作用下的强迫振动都可以由结构按这些基本特性的强迫振动的线性组合构成。利用Hyper Works的OptiStruct求解器，采用兰索斯算法对车架进行模态求解。对整个车架在计算时不施加任何约束，即对有限元模型进行自由状态下的模态提取，得到车架的前八阶固有频率[3]。

表4 轻量化前后车架模态对比

（1）车架模态需要变化平缓，避免频率耦合，车架低阶模态较为分散，同时从频率与阶次的递增中可以看出，车架模态频率变化平缓，没有突变现象产生。

（2）低阶频率需要避开发动机的怠速频率，以及发动机的常用频率，该载货车发动机怠速时转速在750-850r/min，怠速频率在27-30Hz之间，一阶垂向弯曲和二阶扭转均能够避开该频段。

（3）车架低阶模态应该避开地面不平度的激励频率，一般由路面不平引起的激励频率为1～20Hz的垂直振动，该重型载货车车架的一阶垂向弯曲模态频率25.82Hz，在垂直方向避开了这个范围，避免由路面引起的较大幅度的车架共振现象产生。

（4）需要避开前后悬架频率，避免共振，载货车前、后悬架偏频一般为2-4.5Hz，而该车架的一阶弹性模态频率为6.89Hz，表明该车架结构能够避开悬架系统的固有频率。

（5）需要避开车身频率，避免共振，车身部分固有频率一般为10-15Hz，而该车架的一阶扭转和一阶横向弯曲模态正好避开了该频段，不会引起车身较大幅度的振动[4]。

3 结束语

（1）车架在最大载荷作用下，优化前后的最大位移分别为11.69mm和11.88mm，位于车架末尾；车架最大应力出现在后桥支座位置，应力值为分别为595.9MPa和598.5MPa，由于仿真分析加载及约束简化，存在应力集中现象，其安全系数均大于1，说明是符合要求的。此外，除纵梁外的零件安全系数较高，有较大的轻量化空间。

（2）车架原重量约1018.9kg（不计悬挂件），减重约117.9kg，减重11.6%。轻量化方案主要采用强度较高、厚度较薄的QstE650替换510L，同时，删除部分零件。

（3）从模态分析结果来看，轻量化前后车架的前8阶自由模态频率差别最高为11.83%，最小为1.21%，各阶模态均为平缓过渡，未出现频率突变。

通过以上的仿真分析，对比了轻量化前后的车架应力、应变、模态，分析结果前后相差较小，为车架轻量化指明了方向，有助于整车的节能减排。

[1] 李波,王贵勇,申立中,等.车架静强度分析[J].科学技术与工程,2011.

[2] 汪伟,辛勇.车架有限元建模及模态分析[J].机械设计与制造,2009.

[3] 崔有山.高强度钢板在重型载货车车架制造中的应用[J].汽车工艺与材料,2010.

[4] 王理睿,杨小龙,卢程,等.基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析[J].现代机械,2012.

Lightweight Simulation Analysis of a 8x4 Heavy-duty Truck Frame Based on Finite Element Method

Hu Rui

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the country of safety, energy saving and environmental protection the importance of weight loss, heavy truck lightweight urgent demand. Frame heavy truck parts as the largest, at the same time to meet the strength reduce weight become the focus of the research object of lightweight. Based on the finite element method, the simulation and analysis of the lightweight of a 8×4 vehicle frame are carried out. The safety factor and the assembly mode of each frame before and after optimization are compared and the feasibility of the scheme confirmed.

Lightweight; Frame; Simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.024

U463.32

A

1671-7988(2021)03-80-03

U463.32

A

1671-7988(2021)03-80-03

胡锐，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。