基于HyperWorks的副車架強(qiáng)度及模態(tài)分析*

宛銀生 周偉 姜再友 袁世林 周磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）

副車架是汽車底盤系統(tǒng)的重要部件，汽車上絕大多數(shù)部件和總成是通過副車架來固定其位置以保證汽車的正常行駛，并將路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力、側(cè)向力以及它們引起的力矩傳遞到車身上。副車架在一定程度上使車輛具有良好的乘坐舒適性和穩(wěn)定性，因此其可靠性強(qiáng)度直接關(guān)系到整車的安全性[1]。與國外的研究分析成果相比，我國的副車架設(shè)計(jì)尚處于起步階段,國內(nèi)主機(jī)廠對(duì)副車架一般進(jìn)行逆向研發(fā)，自主設(shè)計(jì)。文章主要在滿足整車安全性和舒適性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了副車架的強(qiáng)度和模態(tài)分析。達(dá)到了滿足整車性能的要求。

1 副車架的功能及數(shù)模設(shè)計(jì)

1.1 副車架的功能

副車架功能主要有兩方面：1）底盤的連接剛度在副車架的作用下得到提高；2）副車架能夠降低路面振動(dòng)給整車帶來的影響，提高乘坐的舒適性[2]。所以副車架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足汽車具有良好的行駛平順性、減振性及操縱穩(wěn)定性，汽車制動(dòng)和加速時(shí)減少車身縱傾的可能性，能可靠地傳遞車身與車輪間的一切力和力矩，零部件質(zhì)量輕并有足夠的強(qiáng)度和壽命的要求。

1.2 數(shù)模設(shè)計(jì)

為了使某車型副車架具有更好的功能性、可靠性及良好的工藝性，對(duì)該轎車副車架進(jìn)行設(shè)計(jì)初期分析。首先根據(jù)副車架所覆蓋的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行分析，由邊界條件和功能要求得到副車架部件的分布：副車架通過橡膠襯套與發(fā)動(dòng)機(jī)、車身及控制臂連接，同時(shí)橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向管柱等也安裝在副車架上，由于副車架受到上述各種復(fù)雜載荷作用，所以對(duì)副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很高的要求；同時(shí)為了減輕整車質(zhì)量，要求副車架質(zhì)量盡可能?。涣硗鉃榱颂岣咂嚨男旭偡€(wěn)定性，應(yīng)盡量降低汽車質(zhì)心高度[3]。副車架連接件數(shù)模圖，如圖1所示。

圖1 某車型副車架連接件數(shù)模圖

副車架數(shù)模是利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA建立的3D幾何模型，并根據(jù)整車動(dòng)力總成安裝空間，以及布置輪胎等周邊件空間繪制。某車型副車架結(jié)構(gòu)數(shù)模，如圖2所示；副車架零部件分解表，如表1所示。

圖2 某車型副車架結(jié)構(gòu)數(shù)模設(shè)計(jì)圖

表1 某車型副車架零部件分解表

副車架質(zhì)量設(shè)計(jì)目標(biāo)是＜20 kg，經(jīng)測該車副車架實(shí)物質(zhì)量為19.5 kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

副車架設(shè)計(jì)初步完成后需要調(diào)整局部的結(jié)構(gòu)和改變車架材料的厚度來改變初始結(jié)構(gòu)，以期獲得更好的性能。因此必須考慮載荷、強(qiáng)度及剛度的狀況，同時(shí)考慮沖壓和焊接等生產(chǎn)制造工藝，在滿足這些要求的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，減少車架材料的厚度，達(dá)到減輕副車架質(zhì)量的目的[4]。

2 副車架CAE分析

2.1 副車架CAE強(qiáng)度分析

副車架屬于整車中的關(guān)鍵部件，如果由于強(qiáng)度不夠產(chǎn)生斷裂將直接影響整車可靠性和安全性。因此在設(shè)計(jì)副車架強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能精確地確定作用在零件上的載荷及其方向與作用點(diǎn)。但是在設(shè)計(jì)中一方面很難確定載荷的全部要素；另一方面即使采用同一種材料做成的試件對(duì)不同的載荷、溫度及環(huán)境等條件所顯示的抵抗能力也會(huì)出現(xiàn)差異，所以計(jì)算的結(jié)果就不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際的承載能力。為此，在副車架設(shè)計(jì)中常做出各種假設(shè)，以便進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和強(qiáng)度分析。這種假設(shè)既要反映實(shí)際情況，又要便于計(jì)算，但一般都偏于保守，也有因考慮不周而失效的。所以對(duì)于副車架的設(shè)計(jì)必須要通過試驗(yàn)和試用，證明該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是成功的。

2.1.1 載荷

強(qiáng)度計(jì)算中作用于副車架上的載荷分為靜載荷和動(dòng)載荷。靜載荷的設(shè)計(jì)方法最簡單，至今仍廣為采用。受沖擊載荷時(shí)，零件的應(yīng)力和應(yīng)變值都顯著地增大。因此在常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用靜載荷乘以大于1的動(dòng)載系數(shù)，然后仍沿用靜載荷方法進(jìn)行計(jì)算。通常動(dòng)載系數(shù)是由經(jīng)驗(yàn)來確定。新設(shè)計(jì)的副車架，載荷一般是預(yù)先給定的。

2.1.2 靜強(qiáng)度

在車架設(shè)計(jì)中最基本的計(jì)算是靜強(qiáng)度計(jì)算。使用HyperWorks軟件對(duì)副車架的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證其使用性能。在HyperWorks環(huán)境下，使用3 mm的殼單元對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共得到176 596個(gè)網(wǎng)格，172 940個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立副車架網(wǎng)格模型，確定邊界條件如下：對(duì)副車架連接車身的4個(gè)位置約束6個(gè)自由度，然后對(duì)下擺臂前后襯套中心點(diǎn)施加載荷。工況分別為：垂直 3.5 g，轉(zhuǎn)彎 1 g，制動(dòng) 1 g，靜止啟動(dòng) 1 g[5]。副車架靜強(qiáng)度應(yīng)力分析結(jié)果,如圖3所示。

圖3 某車型副車架靜強(qiáng)度應(yīng)力分析云圖

副車架在各工況下的最大應(yīng)力表，如表2所示。

表2 某車型副車架各工況下最大應(yīng)力表

通過HyperWorks軟件對(duì)副車架的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證其使用性能。從圖3和表2可以看出，副車架在制動(dòng)1 g工況下的最大應(yīng)力為347 MPa，小于熱軋鋼板QSTE420TM的屈服極限（420 MPa），說明CAE分析強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 副車架模態(tài)分析

副車架模態(tài)是指副車架在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)作用下隨時(shí)間的響應(yīng)，模態(tài)分析方法一般采用n階自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)（線性及扭轉(zhuǎn)）經(jīng)懸置傳到副車架，當(dāng)接近固有頻率時(shí)，易產(chǎn)生共振。為了使副車架不與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，其前6階模態(tài)頻率必須與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的慣性激勵(lì)頻率隔開[6]。通過HyperWorks建立的副車架模態(tài)模型，如圖4所示。

圖4 某車型副車架模態(tài)分析圖

通過對(duì)圖4分析，得到副車架模態(tài)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，如表3所示。由表3可以看出，副車架各階模態(tài)分析結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，大大降低了副車架、懸置及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，解決了由此類原因?qū)е碌恼駝?dòng)噪聲問題，保證了駕駛員與乘客的舒適性。

表3 某車型副車架靜模態(tài)分析統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

為了確保副車架能滿足整車性能要求，并保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，文章利用CATIA軟件設(shè)計(jì)出副車架數(shù)模，并確保副車架質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)應(yīng)用HyperWorks軟件對(duì)副車架強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示副車架強(qiáng)度和模態(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求。因此該副車架的設(shè)計(jì)在考慮車輛操穩(wěn)性和乘坐舒適性的基礎(chǔ)上，提高了副車架的性能，縮短了開發(fā)周期，滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。