基于hypermesh的汽車結構分析*

陸昌年

(安徽職業(yè)技術學院汽車工程學院 安徽合肥 230011)

1有限元模型的建立

1.1模型的簡化預處理

該有限元分析模型是在整車的三維UG模型基礎上建立起來的。在建模的過程中，對整車三維模型作了一些簡化處理：①保留車架中兩根縱梁、五根橫梁以及加強筋等主要特征和結構。對車架中的一些支架、穿線用的小孔、倒角和翻邊等，全部作簡化處理。②將驅動橋中的傳動系統(tǒng)部件簡化成載荷的形式加載在驅動橋殼體上。③將發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中的離合器、變速箱、傳動軸等簡化成載荷的形式加載在車架上。④將駕駛室中的儀表臺、內飾件和座椅等，簡化成載荷的形式加載在駕駛室地板或者門板上。⑤簡化車輪，將約束加載在車橋兩端。[1]

1.2模型的生成與裝配

1.2.1零部件有限元模型的生成 將該車各個零部件的三維ug模型，導入hypermesh中，經(jīng)過上述簡化預處理、網(wǎng)格劃分以及賦予材料屬性等步驟后，得到對應零部件的有限元模型。部分模型如圖1和圖2所示。

圖2 橋殼有限元模型

1.2.2有限元模型的裝配 將上述的零部件模型導入一起，并將每個零部件移動到其安裝的位置后，進行連接，最終全部裝配在一起。具體如下：①將中、后橋殼模型與后板簧模型通過剛性連接裝配在一起。然后再連接至車架上；②用剛性連接模擬U型螺栓將前橋和前鋼板彈簧裝配在一起，再連接至車架的安裝位置處；③將駕駛室中的各個鈑金件連接在一起，組裝成駕駛室骨架模型，然后再將駕駛室骨架模型安裝到車架前端相應安裝位置處。④將車輛的最大載貨重量，均勻分散的加載在車架縱梁后半段。⑤將發(fā)動機以及底盤零部件以載荷的形式，加載在車架的對應安裝位置處。見圖3。

圖3 有限元整車組裝模型

2整車電測試驗及模型修正

整車模型比較復雜，并且重卡在各種工況下，承受的載荷力非常復雜，涉及的技術領域比較廣泛。因此建立的有限元分析模型必須經(jīng)過試驗的檢驗，來確定模型是否準確。只有確定模型的誤差在合理的可接受范圍內，才能利用該模型進行后面的進一步分析和計算。

2.1試驗儀器和試驗方案

試驗所使用的儀器主要有：試驗車輛、應變片、信號采集儀、各種線束及接頭、電腦以及試驗軟件等。使用上述建立的模型，先在hypermesh軟件中進行各種情況下的試算，得到一些整車應力應力值比較大的位置，并再選擇一些整車結構中重點關注的位置，從而確定該試驗中測點的布點位置方案，如圖4所示。

圖4 測點位置圖

2.2測試結果

測試地點在一個封閉的環(huán)境中進行，在整車滿載狀態(tài)下，測試和記錄上述試驗方案中每個測點收集到的信號，并整理計算出每個布點位置的試驗采集結果。將電測結果與計算分析結果進行對比，如表1所示。

表1 試驗結果與計算結果對比

2.3有限元模型的修正

從表1可以看出，電測結果數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)存在一定偏差，因此需要對上述整車結構模型進行檢查和修正：①對測點誤差較大的位置，重新檢查一遍其零部件模型，判斷建模過程中是否存在疏漏和誤差。②檢查有限元模型中的剛性連接處，是否出現(xiàn)應力較大的現(xiàn)象。如果在剛性連接處的應力較大，應該在連接處再增加一些剛性連接來分散應力。③檢查載荷加載處的應力是否較大。如果是，應該將載荷分散均勻加載。經(jīng)過上述修改和校正，計算數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的誤差控制在10%以內，有限元模型就算合格，可用于后續(xù)的分析和計算。

3整車靜動態(tài)典型工況分析

3.1彎曲工況

彎曲工況是計算該牽引車在平直堅硬路面、滿載貨物行駛時，前橋、中橋和后橋共計10個車輪均勻落地不懸空時，整車結構的應力分布[2]。在這種工況下，整車的受力一般比較均勻，最大應力也會遠低于整車結構的屈服強度。利用上述校正后的整車模型，對該工況進行計算，得到應力的最大值為102MPa，位于車架后端，如圖5所示。

圖5 應力值最大位置

3.2扭轉工況

當整車行駛在較差的道路時，會不可避免的出現(xiàn)某一個或幾個輪胎懸空的情況，此時整車結構會出現(xiàn)扭轉并承受不對稱的載荷[3]，這種情況比較危險，整車結構的應力也會比較大。經(jīng)過計算在該工況下，最大應力達到206MPa，位于車架的右側，如圖6所示。

圖6 整車扭轉最大應力位置

3.3緊急制動工況

重型牽引車載貨質量大，在緊急制動時整車結構會承受很大的慣性力，并且此時整車結構會出現(xiàn)較大的前傾變形[4]。計算結果顯示：在該工況下，整車有限元模型上的最大應力達到115MPa，位于整車前端，如圖7所示。

圖7 制動時整車應力最大位置

3.4緊急轉彎工況

重型牽引車在轉彎時，由于其載貨量大，會受到一個非常大的離心力，相當于整車結構上作用了一個橫向的力，這個橫向加速度的大小以0.4g來計算。經(jīng)過計算，應力值最大達到118MPa，位于車架右側縱梁前端位置處，詳見圖8。

圖8 轉彎時應力值最大位置

4整車模態(tài)分析

整車結構在設計完成后，就會有其固有的頻率，當與外部的激振頻率相同或接近的時候，整車結構就會共振，從而損壞車輛。因此車輛設計完成后，需要分析計算其結構的固有頻率[5]。文章利用上述整車結構模型，對整車進行模態(tài)分析，得到的分析結果見表2。

表2 模態(tài)頻率及振型

從表2可知該車結構的固有頻率，將其與常見的車輛激振頻率作對比，看是否有接近或者相同的頻率。經(jīng)過與常見路面激振頻率、傳動系統(tǒng)的振動頻率和動力總成的振動頻率等作對比，該車型的固有頻率可以有效的避開常見激振源的頻率。

5小結

文章在車輛的設計階段，建立了整車的結構模型，并用電測試驗值對整車模型進行了修正，然后分析整車在各種工況下的應力分布及固有頻率，判斷車輛在設計過程中是否存在問題，從而有效的避免將設計階段的問題帶入制造階段。