钱玉兰
摘 要：根据项目组的要求，对某轻型载货车车架进行轻量化验证分析。文章基于有限元法，运用Hypermesh、Nastran等有限元计算分析软件，建立车架有限元模型，对车架进行模态及扭转模量分析，在垂向弯曲工况、紧急转弯工况、过坑扭转工况、紧急制动工况四种恶劣工况模式下对车架进行强度校核分析，通过对优化前后分案的分析对比，优化后方案的模态、扭转模量与优化前相当，强度方面优于优化前方案。分析结果表明，新方案模型可以替代原方案模型，轻量化设计成功减重27Kg，约为优化前质量的9.7%。关键词：载货车;车架;轻量化;有限元分析中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）01-77-03
Abstract： According to the requirements of the project team， the lightweight analysis of a light truck frame is carried out. based on the finite element method， the finite element model of the frame is established by using the finite element calculation and analysis software Hypermesh and Nastran. The modal and torsional modulus of the frame are analyzed. The strength of the frame is checked under the vertical bending condition， the emergency turning condition， the pit-crossing torsion condition and the emergency braking condition. The analysis shows that the mode and torsion modulus of the optimized scheme are comparable to those of the pre-optimized scheme， and the strength of the optimized scheme is better than that of the pre-optimized scheme. The analysis results show that the new scheme model can replace the original scheme model. The weight loss of the lightweight design is 27Kg， which is about 9.7% of the pre-optimization quality.Keywords： Truck; frame; lightweight; FEACLC NO.： U467 document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）01-77-03
前言
对于卡车而言，车架是汽车的载体，承载着动力系统、 驾驶室、传动系统、转向系统、上装载货物等。在保证其强度和刚度需求的基础上，降低车架总成的重量，不仅可以减少材料用量降低成本，同时可以提高用户收益，创造经济价值。商用车车架均为钢材，占整车质量比重较大，传统设计为保证承载能力，过于保守导致重量过大[1-2]。
本文以某載货车车架为例，根据项目组的轻量化要求，对车架进行轻量化优化分析，通过有限元软件，对模型进行离散，建立有限元模型，考察优化后模型的模态刚度，并考察垂向工况、转弯工况、扭转工况制动工况下其性能是否满足要求。通过分析，优化后的车架减重明显，且各方面性能都能满足使用要求，达到项目组轻量化目标。
1 车架有限元建模
某轻型货车车架原方案为：车架纵梁料厚为6mm，车架材料为510L。新方案为：车架纵梁料厚为4.5mm，车架材料为某高强钢。
对两个方案模型进行离散，建立其有限元模型：
1.1 网格划分
车架钣金件使用壳单元模拟，网格基准尺寸设为10mm，根据模型结构特点，圆角等部位局部网格尺寸细化，半径大于8mm的，使用多排单元网格划分，翻边宽度大于10mm的生成2排以上单元。铸件采用四面体单元模拟，网格基准尺寸设为4mm。
螺栓孔周围需要做扩孔处理，孔的节点数需为偶数。确定为镜像件的模型要通过镜像网格生成整体网格。网格要求连续、均匀、美观，三角形单元网格比例小于5%，满足网格质量检查要求，网格质量标准以不破坏模型特征为前提。
模型中不允许有自由节点、重复单元、有自由边存在，且壳的法向要求一致。
1.2 部件连接
CO2保护焊连接，保持焊缝处连接件的网格节点一致，即节点具有相互投影关系。通过点对点形式的RBE2依次连接件的节点，如图1所示。
螺栓连接方式是采用刚性单元RBE2和梁单元CBEAM组合模拟。转动副用RBE2单元释放轴向旋转自由度来模拟。车架上安装的动力总成、驾驶室、配载、电瓶箱、油箱、备胎等以质量点代替。钢板弹簧使用等效矩形截面梁单元模拟。
车桥参照原模型外形轮廓使用近似截面梁单元模拟。主副车架之间采用gap单元模拟接触，通过长杆螺栓紧固。轮胎采用弹簧spring单元模拟。车架强度分析有限元模型如图2所示。
2 轻量化方案定义
车架及附件采用的材料均为钢材，其弹性模量为2.1E+5 MPa，泊松比为0.3，密度为7.85E-9Ton/mm3，测量出各个部件的实际厚度赋予相应的部件单元属性。板簧支架采用的材料为铸铁，其弹性模量为1.7E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7.85E-9Ton/mm3。
3 分析工况
3.1 模态分析工况
车架不施加任何约束，计算自由模态。
3.2 扭转模量分析工况
约束前悬架板簧中心连线中点Z向平动自由度，约束后悬架平衡轴支座处X、Y、Z方向平动自由度。前悬架左右板簧中心处施加大小相等方向相反的10000N垂向力。
3.3 强度分析工况
3.3.1 垂向工况
左前轮约束X、Y、Z方向平动自由度，右前轮约束X、Z向平动自由度，后轮约束Z向平动自由度。约束位置在轮胎接地点。车架整体施加Z向-3.5g重力，模拟过减速带时，车架受到垂向载荷作用下的响应情况。
3.3.2 转弯工况
左前轮约束X、Z向平动自由度，右前轮约束Z向平动自由度， 后轮约束Z向平动自由度，車架接地弹簧与地面连接的一端约束Y向平动自由度。车架整体施加Z向-1g，Y向0.4g加速度。用于模拟整车紧急转弯时，车架受到垂向载荷和纵向载荷的综合作用下的响应情况。
3.3.3 扭转工况
左前轮约束X、Z向平动自由度，右前轮约束X、Y、Z向平动自由度，后轮约束Z向平动自由度，左前、右后轮胎抬高150mm。车架整体施加Z向-1g重力。用于模拟整车过不平路面时，车架受到的扭转作用下的响应情况。
3.3.4 制动工况
车架不施加约束。车架整体施加Z向-1g，X向-1g加速度，计算出各轮胎支反力，将支反力施加到轮胎接地点，采用惯性释放方法计算。用于模拟整车紧急制动时，车架受到垂向载荷和纵向载荷的综合作用下的响应情况。制动工况轮胎载核如表1所示：
4 计算结果及分析
4.1 模态分析结果
对两个方案车架进行模态分析，原方案模态振型云图如图3所示，图示左为原方案一阶扭转模态，模态频率为10.17Hz。图示右为原方案一阶弯曲模态，模态频率为30.81Hz。新方案模态振型云图如4所示，图示左为原方案一阶扭转模态，模态频率为10.24Hz。图示右为原方案一阶弯曲模态，模态频率为28.90Hz，较原方案变化不大。
表2为原方案和新方案的模态结果对比表，通过对比可以得出：两个方案模态振型相似，频率相近，由此断定，在模态分析结果中，新方案对模型产生的影响可以忽略。
4.2 扭转模量分析结果
如图5所示，图中显示为该车架在前轮轮心处加载±10000N时加载点处的扭转角度，原模型加载点处变形角度为0.040，新模型加载点处变形角度0.050，角度有所增加。将扭转角度带入公式计算求得两个方案的车架扭转模量。
带入公式（1）计算可得，原方案扭转模量为7.79E6 mm4，新方案扭转模量为6.32E6mm4。
式中：It、Mt、l、G、θ分别表示扭转惯性矩（mm^4）、前轴扭矩（N/mm）（或前部加载点间的扭矩）、前后轮距（mm）（或约束点加载点间的距离）、剪切模量（N/mm^2）、扭转角度（rad）。
通过对比得出，扭转刚度略有降低，但是满足评价指标（>3x10?6mm?4，此评价指标参考行业内经验得来）。
4.3 强度分析结果
分别对改进前后车架模型进行强度分析，计算结果如下：
图6为原方案各工况下最大应力点处应力云图，依次是垂向弯曲工况、转弯工况、扭转工况和制动工况的应力云图，最小安全因子都大于1，其中扭转工况安全因子最小，为1.14;图7为新方案各工况下最大应力点处应力云图，依次是垂向弯曲工况，转弯工况，扭转工况和制动工况的应力云图，最小安全因子都大于1，其中转弯工况安全因子最小，为1.26。
把分析结果整理到表格中，如表3所示，原方案和新方案车架在各工况下最小安全因子对比表。从对比分析结果中可以看出，各个工况下，新方案较原方案安全因子都有所提升，扭转工况下安全因子增幅达到15%，新方案的结构强度是优于原方案。
从以上分析结果可以得出，新方案能够满足使用要求，新方案模型可以替代原方案模型。
5 思考与结论
通过对比分析得出：
新方案模型的模态与原方案模型的模态阵型相似，频率相近，新方案在模态分析结果中对模型产生的影响可以忽略。
新方案模型的扭转模量略低于原方案模型的扭转模量值，但是满足评价指标。
新方案模型的强度优于原方案模型。
由此得出，新方案可以替代原方案，同时新方案车架模型质量（251.7Kg）相比原方案车架模型的质量（278.7Kg）减少了27 Kg，减少9.7%，降重效果明显，优化方案模型已被采纳，并应用到实车设计中。
通过本次的分析验证，本次优化的整个过程可以为车架的设计提供了一种思路和方法，为深入进行车架的轻量化奠定了基础。
参考文献
[1] 王超，苗永.某商用车车架轻量化设计[J].汽车实用技术，2018（21）.
[2] 王勖成，有限单元法[D].清华大学出版社，2003.
