某微型客车车架结构的CAE分析与优化设计.doc

某微型客车车架结构的CAE分析与优化设计 本文运用几种CAE技术对某微型客车车架进行了结构分析与优化设计，首先，计算了静力挠度，静态弯曲、扭转刚度，然后求解了固有模态，并在此基础上获得典型道路激励下的瞬态响应，此外，还对车架典型薄壁梁结构的耐撞性吸能特性进行研究，配合实验数据，对车架结构进行了合理的改进设计，实现了满足轻量化要求的静态优化设计目标，彰显CAE技术在汽车研发过程中的作用日益重要。 0 综述 CAE（计算机辅助工程分析）技术的兴起及应用，滞后于CAD（计算机辅助设计）技术，尤其在汽车工业以及机械行业。当前，在中国汽车行业CAD技术已广泛得到应用，在产品设计过程中已经摈弃手工绘图的时代，将企业中的图纸信息数字化，大大节省成本；而对于产品进入验证阶段所必需的试验，对所设计的产品进行符合国家相关法规标准的强度、刚度、NVH、耐撞性等方面的评价，企业必须对概念样品进行一次一次的试验、修改、再试验、再修改的反复过程，最后才可以定型，生产销售。相对于在产品设计初期的方案拟定、图纸绘制工作所耗费的人力、物力、财力，在设计进入验证阶段的反复试验评价和改进样品的费用可谓是天壤之别。然而，CAE技术已在国外大型汽车企业中广泛应用，用以降低成本，缩短新车开发周期，应对瞬息万变的汽车市场需求，我国大部分汽车企业也都接触到 CAE的研发工具，但应用的能力还不强，真正应用到产品研发中的企业还是很少，运用CAE软件进行分析的能力决定所开发产品的水平。本文结合某微型客车车架结构，对其进行轻量化以及耐撞性能优化设计，效果良好，得到厂家的肯定与应用。 各工况分析的模型采用基于该微型客车CAD模型的有限元模型，减少建模的误差，进行分析。该车架的有限元模型如图1所示。 图1 车架有限元模型 有限元分析软件采用ANSYS release7.0，模型采用四节点四边形壳单元，有少量三角形单元比例，单元尺寸68mm，单元数共计144943，节点数151124，点焊依据工艺流程规定的位置布置，车架模型中共有4458个焊点；材料属性依据企业提供的参数设置，E=203Gpa，ρ=7.89×10-6 kg/mm3，μ=0.31。 1 静力分析 静力分析是在载荷作用点恒定，加载速度缓慢或者为零，加载量值缓慢变化或保持恒定情况下，计算结构的应力、应变、位移的过程，静力分析在设计过程中必不可少，它将提供结构在静力条件下的性能。 1.1静挠度分析 在进行满载下车架垂向挠度分析时，将前后悬架用弹簧单元COMBIN14简化模拟，赋予刚度，一端联接在车架上，另一端固定约束。前悬架以及后悬架的前 COMBIN14弹簧单元定义为一维，只在Z轴方向有变形运动，而后悬架后COMBIN14弹簧单元定义为二维，因为板簧后端允许有纵向的位移，可在XZ 平面做变形运动。车架所承受载荷来自车架以上部分的自重，载荷为14088.1N。由于是承载式车身，所以将该载荷均匀作用在车架的前后纵梁和地板横梁上，共366个加载点。 图2 垂向挠度变化图 图2、3结果表明，车架前部的挠度大于后部，最大值有76.1mm，最小值仅有8.4mm（包括悬架位移）。在满载下，车架的大部分是低应力状态，应力值114.1pa，表明此种车型的设计满载值是合理的，车架的状态良好。 图3 垂向挠度von-Mises等效应力云图 1.2车架弯曲刚度分析 进行弯曲刚度、扭转刚度分析时，不考虑悬架的影响。 在前悬约束所有自由度，后悬板簧的前端部位约束UX、UY、UZ；板簧的后端部位仅约束侧向位移UY和绕Z轴的转动自由度ROTZ。载荷施加在前后纵梁联接处的节点上[3]，共24个加载节点，载荷大小为1000N。为了避免误差取这24个位移的平均值，作为挠度 ，依据材料力学公式 ，求得车架的抗弯刚度值CB。 计算得弯曲刚度值 ，与相关文献[4]（6.28×105 Nm2）对比，本车架弯曲刚度值偏小，原因在于本车架是承载式车身车架，车身要承担很大一部分的抵抗刚度。图4为位移云图。 图4 弯曲结果位移云图 1.3 扭转刚度分析 对于轻型客车的扭转工况我国没有硬性规定的标准，参照客车国家标准汇编上的大型客车电测试验标准，其约束方式是将四个车轮都用垫板垫成一样的高度，然后撤去右前轮的垫板，使车轮下沉240mm或480mm[6]。 在右前轮中心处设置位移边界条件，使指定节点向下沉降480mm。右前悬释放，左前悬以及后悬的前端约束UX、UY、UZ三个线位移和ROTZ，释放其沿X、Y轴的转动自由度ROTX、ROTY，后悬的后端仅约束UY与ROTZ。 扭转刚度的计算依据材料力学公式 ，其中L为前