某型轻货车架结构特性分析

某型轻货车架结构特性 某型轻货车架结构特性分析 第31卷第4期 2009年12月 南昌大学(工科版) JournalofNanchangUniversity(Engineering&Technology) Vo1.31No.4 Dee.2Oo9 文章编号:1006—0456(2009)04—0348—04 某型轻货车架结构特性分析 王源绍,王丽娟,周天瑞,黄峰 (南昌大学机电工程学院,江西南昌330031) 摘要:汽车车架作为汽车连结各种零部件的基体,承载着来自路面和其他部件的各种复杂载荷的作用,其刚度 与强度对汽车整体设计起到重要作用.对车架进行改型设计是产品优化改进的一个重要部分.采用CATIA对车 架进行三维建模,基于HyperWorks对车架进行结构特性分析,模拟其弯曲,扭转工况,从而得到不同工况下的应力 及位移值,利用模态分析得出其结构的模态频率.通过对比改型前后的结构特性数据,为车架改型的可行性提供 理论依据与支持. 关键词:有限元;车架;结构分析 中图分类号:U270.1文献标识码:A .StructureCharacteristicsAnalysis ofaFrameofaLightTruckFrame WANGYuan—shao,WANGLi-juan,ZHOUTian—rui,HUANGFeng (SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanehang330031 ,China) Abstract:Asabasicpartlinkingcomponentinthevehicle,itcarriesthecomplexloadcomingfr omtheroadand otherparts.Itisimportanttoconsiderthestiffnessandstrengthoftheframeintheoveralldesign .Modificationdesignof theframeisabigpartofavehicleoptimizationandimprovement.Thethree— dimensionalmodelwasmadebyCATIA. ThebendingandtorsionconditionoftheframeweresimulatedbytheHyperWorks,andthestressanddisplacementof theframewereobtained.ThemodalfrequencywasobtainedbymodalanalysiswithHyperWorks.Thestructurecharac— teristicsoftheframeandthemodifiedmodelwerestudied.Theresultssupportthemodificatio nfeasibility. KeyWords:finiteelementmethod;frame;structuralanalysis 车架是车辆支承连结各种零部件的基体,汽车 绝大多数部件和总成(如发动机,传动系统,悬架, 转向,驾驶室,货箱和有关操纵机构等)都是通过车 架来固定其位置J.其具有支承连接汽车的各零 部件,承受来自车内外的各种载荷的功用. 有限元方法是解决复杂工程问题的有效手段. 在工程实践中,现代设计方法的集成应用,极大地缩 短了产品开发周期,减少了试验时间和经费,增加产 品和工程的可靠性,能在产品制造或工程施工前预 先发现潜在的问题. 某型轻货车架出于底盘布置调整的需要,在不 改变工装设计的前提下将车架三横梁前移,本文基 于HyperWorks对车架结构进行数值分析,通过与现 收稿日期:2009—09—02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775120) 作者简介:王源绍(1987一),男,硕士研究生. 有产品车架结构特性的对比,分析改型设计的可 行性. 1几何建模及有限元前处理 1.1几何模型清理 车架几何模型利用CATIA进行创建,为方便后 续的有限元分析,几何模型建立过程中对于小孔及 一 些非承载力的构件进行了忽略.在导人Hy- perMesh中进行网格划分前期,通过消除错位和小 孔,压缩相邻曲面之间的边界,改正模型导人时出现 的错误,消除不必要的细节,生成一个简化的部件模 型,以便于网格划分和分析,确保网格间的正确连 接,获得满意的网格样式和质量,从而提高整个网格 第4期王源绍,等:某型轻货车架结构特性分析 划分的速度和质量,提高计算精度. 对车架进行几何清理后的车架几何模型如图1 所示,由于细小部件对车架整体受力及分析影响非 常小,对其进行了忽略处理. 图1车架CATIA三维模型 Fig.1CATIAmodeloftheframe 1.2有限元模型建立 为了保证良好的计算精度,需要对有限元模型 的网格质量进行检查及局部修改,如对网格的翘曲 度,纵横比,最大最小内角,扭曲角,雅克比等质量指 标进行检查,并通过对网格的节点移动,合并删除网 格等手段进行修改,最终达到理想的网格形状. (a1局部单元修改前 _一 . . ; , , ? 一 l L?- (b)局部单元修改后 图2阏格调整 Fig.2Adjustthemesh 某型轻货车架出于底盘布置调整的需要,将车 '架三横梁前移13mm,网格模型如图3. 一 横粱二横梁三横梁四横梁五横梁六横梁 图3改型后车架网格模型 Fig.3Themeshofthemodifiedframe 有限元分析软件采用HyperWorks,模型采用四 节点四边形和少量三角形壳单元,点焊依据工艺流 程规定的位置布置,车架结构总节点数,单元数和焊 点单元数分别为:17880,16917,548;材料参数: E=210GPa,=0.30,P=7.84×10kg/mm. 2静力分析 静力分析是计算在固定不变(或加载速度缓慢 或加载量值变化缓慢)的载荷作用下结构的位移, 应力,应变及反力等的大小,即讨论结构受到外力后 的变形,应力和应变,以便对结构的强度,刚度进行 校核,提供结构在静力条件下的性能. 2.1车架弯曲工况 弯曲工况是模拟在满载状态下,四轮着地时汽 车在良好路面匀速直线行驶的状态_4J. 载荷分布:驾驶室,发动机,油箱,蓄电池等 载荷以及车架的上部外载,分到相应节点上J,具 体如下,动力总成分布在二横梁及三横梁上的发动 机支架上,驾驶室分布于8个支架上,货箱及货物质 量集中于纵梁的四处支承点,载人质量分布于四横 梁及纵梁之上,油箱分布于油箱支架支承之处.车 架承受载荷如下表l. 表1车架主要承受载荷 Tab.1Themainloadsoftheframe 名称质量/kg 动力总成 驾驶室 货箱 载人(5) 载货 油箱(满) 280 4OO l50 325 650 40 进行弯曲工况模拟时,需要对其4个车轮的支 撑点进行自由度约束,即同时约束左前支撑点的, Y及Z自由度;约束右前支撑点的及自由度;约 束左后支撑点的Y及Z自由度;约束右后支撑点的Z 自由度;释放支撑点的全部转动自由度. 图4中标示及数据可以看出,六横梁之前区域, 出现较多红色区域,得到最大应力发生在六横梁之 前某节点附近,更多高强度分布于后轮中心线附近. 弯曲强度,改型前为94.05MPa,改型后数据为 93.11MPa,变化在允许强度范围之内,完全满足安 全性要求. 图4改型车架弯曲工况应力云图 Fig.4Thestresscontourofthemodified frameinthebendcondition 四轮着地时,车架变形如图5所示,此时,通过 红色区域的位置,得到最大位移产生在车架中间承 ? 350?南昌大学(工科版)2009正 载较大位置.此时最大位移由1.923mm变为 1.927mm,变化较小,位移变化量符合产品设计要 求,所以看出改型后车架在满载时的刚度完全满足 设计要求. .// 图5改型车架弯曲工况位移云图 Fig.5Thedisplacementcontourofthe modifiedframeinthebendcondition 2.2车架扭转工况 车架扭转工况是模拟在满载状态下,一轮悬空 时车架扭转变形.由于此车型后轴承载大,所以当 其右后轮悬空时,处于极限状况. 扭转工况下的载荷与弯曲工况采用相同满载载 荷,设置方法同弯曲工况下载荷分布.扭转工况边 界约束条件为:同时约束左前支撑点的,Y及z自 由度.约束右前支撑点的及自由度.约束左后 支撑点的Y及Z自由度.释放左后支撑点的,),, 自由度.释放模型中4个撑点的全部转动自由度. 车架整体抗扭能力较好,由于其横梁密布,在抵 抗扭转变形的过程中作用很大. 图6表明车架的应力状态大致都处于低应力状 态,恶劣工况发生在左后轮及右前轮处附近.最大 应力由改型前530.9MPa变为530.7MPa,应力改 变在允许范围之内,符合安全性要求. 吕燃l// 图6改型车架扭转工况应力云图 Fig.6Thestresscontourofthemodified frameinthetorsioncondition 左后轮悬空时,其变形如图7所示,最大变形处 出现在纵梁左后端,符合实际情况,此时最大位移由 改型前44.99mnl转为45.04mm,此时转角只有 0.0107.,变形量很小,满足刚度设计要求. 3模态分析 车架结构的模态频率是研究整车振动特性的重 要参数之一,该模态频率是避免与悬挂系统,发动机 及传动系统产生动态干扰的重要指标之一.通过合 理设计来避开整体共振现象. ,1jj 吕l/J/ 图7改型车架扭转工况位移云图 Fig.7Thedisplacementcontourofthe modifiedframeinthetorsioncondition 本文采用Lanczos方法,计算了前十五阶模态, 除前六阶刚体模态以外的前九阶自由模态参数见表 2.图8,图12为典型振型图.表3为改型前后车 架各阶固有频率对比情况. 表2改型车架各阶模态列表 Tab.2Thefrequenciesofthemodifiedframe'Smodal 模态阶次固有频率/Hz模态类型 表3改型前后车架各阶模态列表 Tab.3Thecomparisonoftheframe'Smodalfrequencies 模态阶次固有频~-/Hz 原车架改型车架 图8一阶扭转 Fig.8First?ordertorsion 第4期王源绍,等:某型轻货车架结构特性分析 图9垂向弯曲 Fig.9Verticalbending 图10侧向弯曲 Fig.10Lateralbending 图l1二阶扭转 Fig.11Second-ordertorsion 图12三阶扭转 Fig.12Third-ordertorsion 由于车身与车架在整车中是紧固联接的,考虑 发动机与车架共振的危险,发动机激振频率:. ,一. Jo一607_ 式中:r为发动机转速,/2为发动机缸数,丁为发动机 冲程数. 发动机引起的激振在25Hz左右(取怠速为 750r?min,,4缸4冲程发动机).从模态分析结 果可知,该车第一阶固有频率出现在l9Hz,属于正 常频率范围. 4结论 综合运用计算机辅助工程分析方法,将为企业 降低开发成本,迅速应对市场变化,提供可靠,高效 的现代设计手段.本文成功应用CAE分析手段对 某型轻货车架改型后的结构特性进行分析,并与现 有车型车架结构特性进行比对,分析结论表明:车架 局部改型满足产品设计安全要求.本文工作为后续 产品实验方案设计,疲劳分析及结构优化奠定了 基础. 参考文献: [1]刘惟信.汽车设计[M].E京:清华大学出版社,2001. [2]王勖成,邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].2 版.北京:清华大学出版社,1996. [3]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优 化设计技术[M].jE京:机械工业出版社,2008. [4]朱茂桃,蔡炳芳,束荣军,等.全地形车车架结构有限 元分析与轻量化设计[J].拖拉机与农用运输车, 2008,35(3):47—52. [5]桂良进,周长路,范子杰.某型载货车车架结构轻量化 设计[J].汽车工程,2003,25(4):403—406. [6]熊永华,杜发荣,高峰,等.轻型载货汽车车架动态特 性分析与研究[J].机械设计,2007,24(4):60—62.