某全框式前副車架有限元分析與優(yōu)化

連 昊，陳 劍，朱 波

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

副車架作為車身與汽車懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，是汽車底盤的一個(gè)重要零件。在上個(gè)世紀(jì)八九十年代，前副車架結(jié)構(gòu)在國內(nèi)生產(chǎn)的A級車中還并不普遍。當(dāng)時(shí)小型車采用的主要是麥弗遜式懸架，并且通過車身上的特殊定位結(jié)構(gòu)與懸架上的控制搖臂相連接。目前，隨著汽車工業(yè)對整車零部件模塊化的要求越來越強(qiáng)烈，采用前副車架結(jié)構(gòu)的A級車型等微型車越來越普遍[1]，在提高舒適性的同時(shí)大大降低了開發(fā)成本。

某車型前懸采用全框式前副車架，其結(jié)構(gòu)由上下片、左右縱臂、前框、彎管、套管、前點(diǎn)安裝支架以及若干加強(qiáng)板和支架焊接而成，并通過6個(gè)裝有襯套的套管與車身連接。下面將利用有限元軟件對前副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，以校核其是否滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

1 前副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1.1 前副車架的有限元模型

將前副車架數(shù)模進(jìn)行適當(dāng)簡化后抽取中面，將中面數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建。由于該副車架組成零件均為薄板件，故采用Shell殼單元模擬，單元大小3 mm，焊縫連接采用seam功能創(chuàng)建，用四邊形殼單元模擬，襯套采用六面體實(shí)體單元模擬；后副車架安裝點(diǎn)與載荷力施加點(diǎn)處采用rbe2單元進(jìn)行處理，最后得到前副車架的有限元模型，如圖1所示。除上片采用QSTE380（屈服強(qiáng)度為380 MPa）外，其余零件材料為SAPH440，其屈服強(qiáng)度為305 MPa.

圖1 前副車架有限元模型

1.2 前副車架強(qiáng)度分析

前副車架在整車行駛時(shí)有向前制動、過雙側(cè)凸包、過單側(cè)深坑、極限轉(zhuǎn)向等12個(gè)工況，其中過單側(cè)深坑工況最為惡劣，工況系數(shù)為xz（1.5，4.5），故下面以該工況為例對前副車架進(jìn)行強(qiáng)度分析。

該前副車架通過六個(gè)襯套與車身連接，故對六個(gè)襯套在x、y、z三個(gè)方向的平移自由度進(jìn)行約束，釋放其旋轉(zhuǎn)自由度。將ADAMS動力學(xué)分析得出的過單側(cè)深坑工況下前副車架各硬點(diǎn)受到的力和力矩（如表1所示）輸入到Hypermesh中，將對應(yīng)的力和力矩施加在對應(yīng)硬點(diǎn)上。利用Radioss求解器對前副車架有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到該工況下前副車架的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

表1 過單側(cè)深坑工況下前副車架各硬點(diǎn)受到的力和力矩

圖2 前副車架應(yīng)力云圖（正面+反面）

前副車架最大應(yīng)力位于下片與縱臂搭接圓環(huán)焊縫處，應(yīng)力值為452.7 MPa，如圖3所示，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度305 MPa；第二大應(yīng)力位于縱臂內(nèi)側(cè)圓弧缺口處，應(yīng)力值為411.7 MPa，如圖4所示，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度305 MPa.從分析的結(jié)果上來看，縱臂與上下片搭接結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，故下面對前副車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 最大應(yīng)力處

圖4 第二大應(yīng)力處

2 前副車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

原方案中，由于縱臂的上下臂搭接的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致縱臂與上下片搭接存在一段無法搭接的空擋區(qū)，如圖5所示，從而使得此處強(qiáng)度不足，下片與縱臂搭接處應(yīng)力過大。同時(shí)，縱臂為了避開轉(zhuǎn)向器安裝柱，在內(nèi)側(cè)開了一個(gè)圓弧缺口（見圖6），此處縱臂的上下臂搭接焊縫被斷開，導(dǎo)致此處存在強(qiáng)度缺陷，從而縱臂內(nèi)側(cè)圓弧缺口處應(yīng)力過大。

圖5 原方案縱臂與上下片搭接結(jié)構(gòu)

圖6 原方案縱臂內(nèi)側(cè)圓弧缺口

針對上述問題分析，對前副車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將縱臂與上下片搭接處延伸出來，使原結(jié)構(gòu)薄弱處變?yōu)橐粋€(gè)整體，把縱臂與上下片搭接處向中間移動，如圖7所示，縱臂與上下片具體搭接結(jié)構(gòu)如圖8所示。同時(shí)縱臂在與上下片搭接處附近增加一個(gè)加強(qiáng)板，如圖9所示，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)對剛度也有提升。

圖7 優(yōu)化方案有限元模型

圖8 優(yōu)化方案縱臂與上下片搭接結(jié)構(gòu)

圖9 縱臂內(nèi)置加強(qiáng)板

2.2 優(yōu)化方案強(qiáng)度分析

將優(yōu)化數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，同樣得到優(yōu)化方案在過單側(cè)深坑工況下的應(yīng)力云圖，如圖10所示。其中，除下片采用QSTE380（屈服強(qiáng)度為380 MPa）外，其余零件材料為SAPH440，其屈服強(qiáng)度為305 MPa.

圖10 優(yōu)化方案前副車架應(yīng)力云圖（正面+反面）

前副車架最大應(yīng)力位于下片上，為下片與縱臂搭接處，應(yīng)力值為317.4 MPa，如圖11所示，小于材料屈服強(qiáng)度380 MPa；其余零件最大應(yīng)力位于縱臂與彎管連接上端，應(yīng)力值為290.4 MPa，如圖12所示，小于材料屈服強(qiáng)度305 MPa.從分析的結(jié)果上來看，優(yōu)化后前副車架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖11 優(yōu)化方案最大應(yīng)力處

圖12 優(yōu)化方案第二大應(yīng)力處

優(yōu)化后，前副車架重量為35.43 kg，比優(yōu)化前36.73 kg輕了1.3 kg，起到了一定的輕量化作用。

3 結(jié)束語

對前副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析發(fā)現(xiàn)了其存在一定的結(jié)構(gòu)缺陷，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)缺陷的分析找到了問題所在，通過對縱臂與上下片的搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使前副車架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，同時(shí)還降低了重量，達(dá)到了優(yōu)化的目的，而且此優(yōu)化設(shè)計(jì)對同類產(chǎn)品也可起到借鑒作用。