特种越野车车架强度及模态分析与结构优化

朱昌发，杨 森，钱立军

(1.合肥工业大学，合肥 230009;2.北京中资燕京汽车有限公司，北京 102413)

车架是汽车的主要骨架之一，整车的绝大多数部件和总成(如侧围、悬架和发动机等)都是通过车架来布置和安装的.与普通车相比，特种越野车经常行驶在路面状况恶劣的山地丘陵，行驶工况不断变化，引起振动类型也复杂多变，这对该车的车架性能是一个严峻的考验[1].因此，对特种越野车车架的强度性能和振动特性分析与优化显得尤为重要.

1 车架有限元模型建立

研究的车架为边梁式结构，横梁与纵梁、横纵梁与单个零件及单个零件之间的联接复杂，为减小模型误差，在UG中采用1∶1的比例建立实体模型.将建立好的模型导入HYPERMESH软件中.对车架结构的每个零件分别抽取中面，进行几何清理、网格划分和模拟焊接.车架大部分零件采用弧焊方式进行联接，使用“rigid”单元来进行模拟，

在模拟焊接时，尽量按最近节点的原则进行焊接，如图1所示.模型共有118 983个节点，116 807个单元.材料为16MnL，其弹性模量为2.1×105MPa，泊松比0.31，密度为7.85×103kg/m3，屈服强度为360 MPa.图2为有限元模型图.

2 强度分析

特种越野车车架的设计，要满足在恶劣路面的行驶工况要求.通过对斜坡与水平路面、大扭曲越障与凹凸不平路面的对比分析，确定斜坡路面为车架弯曲较恶劣工况，大扭曲路面为车架扭转较恶劣工况[2]，对紧急制动工况也进行分析.

2.1 载荷施加

特种车架与车身的联接采用的是悬置点联接，在前后左右共计11个悬置点处施加载荷，另外由发动机、离合器和变速器等组成动力总成系统，其安装处也施加载荷，所有施加载荷方向均竖直向下.

2.2 约束条件与分析结果

1)斜坡路面行驶时的弯曲工况

在20°斜坡路面上行驶时，即整个车架沿Y轴旋转20°.其约束条件:车架与前悬架联接的左右两端位置，约束Y、Z轴方向平动;车架与后悬架联接的左右两端位置，约束X、Y、Z方向平动.

通过ABAQUS软件分析得出:车架最大应力值为257.4 MPa，位于前桥横梁与左纵梁联接处，如图3所示.因该区域在约束区域附近，同时，动力总成这部分重量主要集中在前桥横梁周边，斜坡上产生沿斜面的剪力，方向沿斜面向左，所以，出现局部应力相对过大.

图3 20°斜坡路面应力分布图

2)大扭曲越障路面行驶时的扭转工况

在大扭曲路面上行驶时，右前轮越障，越障高度为400 mm.其约束条件:车架与前悬架左端联接处约束Y轴方向平动，车架与前悬架右端联接处约束X、Y轴方向平动，右前轮Z=400，模拟抬高400 mm;车架与后悬架左端联接的位置，约束Y、Z方向平动，车架与后悬架右端联接的位置，只释放X转动方向自由度[2].汽车在该工况下受路面激励和发动机振动等影响，产生一定的动载荷，由经验取动载荷系数为2.0[3]，其最后施加载荷值为系数与原所受的载荷相乘，方向不变.

通过ABAQUS软件分析得出结果:车架最大应力值为348.6 MPa，接近屈服强度(360 MPa)，位于前桥横梁与左纵梁联接处，如图4所示.因右前轮越障，抬高400 mm，应力偏向左前轮集中，同时动力总成这部分重量主要集中在前桥横梁周边，导致应力接近屈服强度.

图4 大扭曲越障路面应力分布图

3)紧急制动工况

该工况下，在Y方向上还要附加0.7 g的惯性力.其约束条件为:约束车架与前悬架联接处X、Y、Z 3个平动自由度;约束车架与后悬架联接处Y、Z两个平动自由度.

通过ABAQUS软件分析得出结果:车架最大应力值为263.5 MPa，位于安装车身后部悬置处，如图5所示.因汽车紧急制动，后部质量较大，产生的惯性力较大，且前部产生的惯性力，有向后缓冲传递的趋势，导致后部应力集中.

图5 紧急制动工况下应力分布图

对上面3种工况的结果进行对比知，在大扭曲越障路面上的扭转工况所受应力最大(348.6MPa)，接近屈服强度(360 MPa).有必要对此处进行结构优化设计.

3 车架固有频率计算

在有限元模型基础上，再创建一个频率的载荷集，对其固有频率进行分析计算.在HYPERMESH软件中，将其最小频率设定为1.0 Hz，最大频率设定为100.0 Hz，阶数设定为5[4]，对车架在1.0～100.0 Hz范围内的前5阶振动类型进行频率计算.将设定好的有限元模型以INP格式导出，并导入ABAQUS软件中进行分析计算.得出表1(其最大变形量将分析后的振型图放大可看出具体数值).

表1 车架主要频率和振型

由表知:该车架的1阶频率为24.678 Hz.车架受到的外部激振源主要来自于路面和发动机.路面激励能量主要集中在20 Hz以下的频率范围内;发动机怠速时激励频率为20 Hz.因此，车架避免了由道路载荷和发动机引起的共振.

4 结构优化设计

4.1 改进方案

原前桥横梁结构为完全水平横直的薄壁结构，如图6所示.对汽车在实际运行中的受力情况分析:当车轮遇到障碍物向上跳动时，前桥横梁会迅速向上摆动，使得横梁本身受到很大的斜向上的拉力作用，可将其分解为竖直向上的拉力F1和水平向外的拉力F2，如图7;当车轮向下跳动时，分力F1反向，F2方向不变，大小时刻都是改变的，由于横梁频繁的上下摆动，较大且变化频繁的水平分力F2促使横梁联接处高频率的左右摇动.分析得出结论:只有通过克服拉力F2，才能达到减小前桥横梁与纵梁联接处的应力集中的目的.

改进后的前桥横梁为两边水平横直、中部下凹的薄壁结构，如图8所示.这种结构不但可以分解F2方向的受力，起到缓冲作用，而且，还起到支撑发动机、离合器和变速器等一体的重量作用，同时可以节省材料[5].原前桥横梁质量为4.33 kg，改进后质量为3.28 kg.

图8 改进后前桥横梁有限元图

4.2 改进后的强度和固有频率分析与计算

1)强度分析

对结构改进后的车架进行斜坡路面和大扭曲越障路面工况及紧急制动工况进行再次分析，约束条件和加载情况与改进前车架分析时一样，得到图9、10和11.

图11 改进后紧急制动工况应力分布图

通过与改进前车架的强度对比:在20°斜坡路面上，前桥横梁与左纵梁联接处应力为89.61 MPa，与改进前该处应力257.4 MPa相比，降低了65%;此时，车架最大应力为215.1 MPa，比改进前最大应力降低了约42 MPa，位于车身与车架联接处，如图9所示.在大扭曲越障路面上，前桥横梁与左纵梁联接处应力为153.8 MPa，与改进前该处应力348.6 MPa相比，降低了近56%;此时车架最大应力为263.6 MPa，比改进前最大应力降低了约85 MPa，位于后桥横梁与后纵梁联接处，如图10所示.而在紧急制动情况下，改进后车架最大应力为239.5 MPa，与改进前最大应力263.5 MPa相比，降低了24 MPa，且位置不变，如图11所示.

2)车架固有频率计算

对结构改进后的车架进行前5阶的模态进行计算分析，其结果如表2.

通过与改进前车架的固有频率对比:1阶频率由24.678 Hz提高到26.148 Hz，远离发动机固有频率，避免了产生共振.最大变形量除了第4阶以外，其他每阶都降低.

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5 结论

1)从强度结果来看:改进后车架，在斜坡路面弯曲、大扭曲越障路面扭转、紧急制动工况下，最大应力分别由 257.4 MPa、348.6 MPa、263.5 MPa降为215.1 MPa、263.6 MPa、239.5 MPa，降低车架整体应力，消除局部最大应力集中，提高车架整体性能.同时，还起到支撑发动机、离合器和变速器等一体的重量作用.

2)从质量结果来看:改进后的横梁质量由原来的4.33 kg降为3.28 kg，减少了24%，减轻了重量，节省了材料.

3)从固有频率结果来看:最低固有频率由原来的24.678 Hz提高到26.148 Hz，没有与发动机激励频率重合，不会发生共振.另外，新车架在一定程度上能降低最大位移变形量.

[1] 刘胜乾，顾力强，吕文汇.军用某型牵引车车架静动态特性分析[J].设计与研究，2006，33(4):10-12.

[2] 岳惊涛，丁玉兰，李新耀.越野汽车柔性抗扭转车架研究[J].中国工程机械学报，2010，8(3):329-334.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社，2006.

[4] 李楚琳，张胜兰，冯 樱，等.Hyperworks[M].北京:机械工业出版社，2007.

[5] 程思远.基于有限元分析的越野汽车车架结构优化[D].南昌:南昌大学机电工程学院，2010.