基于HyperMesh的縱梁加固板對車架總成剛度影響的分析

魏俞斌

摘 要：文章以某輕型卡車車架為研究對象，應(yīng)用HyperMesh分析軟件，對比分析不同形狀加固板對車架總成彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)的影響。經(jīng)過對比分析，我們量化了加固板變動對該型卡車車架剛度及固有頻率的影響，為設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：車架;加固板;剛度;有限元

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）19-149-03

Analysis on the Influence of Longeron In-fixed Board on Frame Stiffness

Based on Hyper Mesh

Wei Yubin

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

Abstract： With a certain light truck frame as the research object， this paper contrasts and analyses the influence of different shape in-fixed boards on the bending stiffness， torsional stiffness and modal of frame by applying the Hyper Mesh analysis software.?After the contrast and analysis， we quantified the influence of reinforcement plates change on the frame stiffness and natural frequency of the light truck， providing a strong data support for frame design.

Keywords： Body frame; In-fixed board; Stiffness; FEA （finite-element analysis）

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）19-149-03

1 引言

車架作為車輛承載基體，是重要的受力件，汽車大部分部件，如動力總成、駕駛室、懸架、車橋、貨廂等都與車架直接連接，在車輛行駛過程中，車架會承受來自路面的各種沖擊以及扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷產(chǎn)生的彎矩和剪力。因此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的各種機構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小;車架也應(yīng)有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性，縱梁、橫梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些部件的可靠性下降。

輕型卡車車架總成一般采用邊梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)車架總成由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。為提升車架整體剛度，通常在車架中段增加U型、L型等結(jié)構(gòu)形式的加固板，本文以某輕型卡車車架為研究目標(biāo)，針對車架總成開發(fā)過程中不同結(jié)構(gòu)形式的中段加固板，運用有限元分析軟件HyperWorks進(jìn)行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)的對比分析，量化車架中段加固板變動對總成剛度的影響。

2 車架總成剛度及模態(tài)的計算

2.1 車架總成彎曲剛度的計算

為了簡化計算，可以把車架整體簡化成一根具有均勻剛度的簡支梁，在梁的中間加集中力，如圖1所示，即可得到近似車架簡支梁的彎曲剛度計算式：

（1）

式中：Cw為彎曲剛度，N·m2;F為集中載荷，N;L為軸距，m;f為撓度，m。

運用HyperWorks軟件可以方便的計算出某一集中載荷下的車架撓度值。建立車架總成有限元分析模型，其中彎曲剛度的約束邊界條件是約束車架總成前輪中心處的3個平動自由度，以及后輪中心處的縱向和側(cè)向平動自由度;載荷條件是在兩根縱梁的中點處施加相同大小的鉛垂方向的集中力，通過分析可以得到該載荷下的撓度，從而計算出車架總成的彎曲剛度。

2.2 車架總成扭轉(zhuǎn)剛度的計算

汽車車架的扭轉(zhuǎn)剛度可以用車架在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述。平均扭轉(zhuǎn)剛度以軸距間單位扭轉(zhuǎn)角下車架所承擔(dān)的扭矩來描述。其中車架扭轉(zhuǎn)角是在扭轉(zhuǎn)載荷的作用下前后軸兩橫梁相對的回轉(zhuǎn)角，如圖2中的θ。

則車架前輪中心處的扭轉(zhuǎn)剛度計算公式為：

（2）

式中：Gj為扭轉(zhuǎn)剛度，N·m2/rad;T為扭矩，N·m;F為集中載荷，N;b為車架寬度，m;L為軸距，m;θ為回轉(zhuǎn)角，rad（θ由擾度h及車架寬度b計算得出）。

扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析模型的約束邊界條件是約束后輪軸線正上方縱梁下翼板處3個平動自由度，前段橫梁中心縱向和側(cè)向平動自由度;載荷條件則是在前輪軸線中點位置處左右縱梁上施加扭矩3000N·m。通過分析可以得到該載荷下的撓度，計算出車架總成的扭轉(zhuǎn)剛度。

2.3 車架總成模態(tài)的計算

自由模態(tài)分析的目的是為了解部件的固有頻率是否在合適的范圍內(nèi)，同時了解部件的剛度分布是否合理，以便為設(shè)計的改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。

3 縱梁加固板變動對車架總成剛度及模態(tài)的影響分析

3.1 幾種常見的縱梁加固板變動情況

車架總成中段加固板通常有L型、倒L型、U型三種狀態(tài)，本文以某輕型卡車車架中段加固板變動為例，計算分析不同加固板結(jié)構(gòu)（文中編號分別為2800-L、2800-Г、2800-U，加固板料厚均為3mm，原型車架不帶加固板狀態(tài)車架編號2800-0）對車架總成剛度、模態(tài)的影響。

3.2 變動車架總成剛度計算、對比

按照第2章中的方法對車架總成剛度進(jìn)行計算。以原型車車架彎曲剛度計算為例，原型車軸距為3.308m，在4000N的集中載荷下，用HyperWorks分析得到撓度值為1.737mm，故彎曲剛度Cw=FL3/48/f=1.74×106N·m2。

同樣的方案對其他結(jié)構(gòu)車架彎曲剛度進(jìn)行計算，位移圖見圖3所示，計算結(jié)果見表1。

原型車車架總成外寬為0.72m，在3000N·m的扭矩載荷下，回轉(zhuǎn)角為14.3°，計算得扭轉(zhuǎn)剛度為3.98×104N·m2/rad。

同樣的方案對其他結(jié)構(gòu)車架扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行計算，位移圖見圖4所示，計算結(jié)果見表1。

3.3 變動車架模態(tài)計算、對比

由于對車架的振動響應(yīng)影響較大的激勵頻率多集中在低頻域，所以本文重點分析了前4階固有頻率與振型。車架固有頻率計算結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）不同加固板結(jié)構(gòu)對車架扭轉(zhuǎn)剛度影響不大，變動量3%-5%;對車架彎曲剛度影響較大，其中U型加固板能有效提升車架彎曲剛度，變動量達(dá)28.8%，L型加固板狀態(tài)優(yōu)于倒L型加固板結(jié)構(gòu)。

（2）不同加固板結(jié)構(gòu)并未改變車架總成整體結(jié)構(gòu)，對車架總成固有頻率及振型影響很小，不同車架前4階固有頻率相當(dāng)，振型相同。

加固板料厚的變化也會影響車架總成剛度和強度，本文僅分析了加固板形狀對車架總成剛度的影響，實際設(shè)計中要結(jié)合剛度、強度、模態(tài)的變化綜合評估，確定變動方案可行性。

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