工程实例--基于CAE汽车车架纵梁开裂分析及改进设计（一）

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某越野车其前悬架为扭杆式双横臂独立悬架，后桥是四连杆可变刚度螺旋弹簧整体桥式，这种结构的优点是能够在保证越野能力的同时提供令人满意的行驶舒适性;但该车在实车试验过程中，车架纵梁在与扭杆弹簧连接的支架处易出现开裂现象，严重影响了整车的使用寿命和驾驶员的安全。　　本文拟基于Hyperworks软件对该车架的单边纵梁和扭杆弹簧连接的支架处的强度进行有限元分析，以找出开裂的原因所在，并对现有的结构进行关联式改进设计。
　　1 纵梁开裂有限元建模与分析
　　1.1模型的建立
　　某越野车车架为双纵梁结构(见图1)，从实际车架结构到有限元分析模型，采取了适当的简化处理，如略去某螳非承载构件，取约束、载倚作用点处为单元节点等。
　　

　　图1双纵粱结构

　　一般对汽车车架进行有限元分析时，建立有限元模型大都采用粱单元模型，应用该种模型可以得到较好的变形结果，但其应力分析的能力却是有限的;梁单元不能很好地描述较为复杂的车架结构。也不能很好地反映横梁与纵梁接头区域的应力分布，且忽略了扭转时截面的翘曲变形，使采用梁单元模型对车架进行有限元分析的结果比较粗糙。基于以上原因.为了提高分析计算精度，分析模型采用以shell单元为基本单元的有限元分析模型。根据陆风X6汽车车架的结构特点经过适当简化处理后，建立相应的有限元分析模型。分析模型中单元网格的划分及所采用单元的大小直接影响计算的精度。
　　文中大部分单元采用80 mm X80 mm左右的矩形板单元，称为一般单元;对特殊结构，如连接部分、截面变化区域和可能出现应力集中的地方，采用20 mm X20 mm左右的矩形板单元，称为细化单元;一般单元与细化单元之间采用三角形板单元连接，称为过渡单元。根据以上单元划分原则，在横梁与纵梁接头区域、截面变化区域，以及可能出现应力集中的地方采用细化单元，其他区域采用一般单元;一般单元与细化单元之间采用过渡单元连接。文中主要研究车架纵粱与扭杆弹簧连接的支架处的开裂原因，故利用Hyperworks软件对该车架的单边纵梁和扭杆弹簧连接的支架处的强度进行有限元分析，找出开裂的原因所在。整个模型被离散为7812个板单元，8227个结点，图2所示为有限元分析模型，对车架的静应力分析就是在该模型的基础上进行的。
　　

　　图2有限元分析模型

　　1.2边界条件载荷的简化及加载方法
　　对车架进行静态分析，必须考虑车架的约束情况。从而消除车架的刚体位移。由于本文主要是研究单边纵梁和扭杆弹簧连接的支架处的强度问题，故边界约束点确定在改车架纵梁上，将悬架与车架连接处的结点在水平面(z，y两个方向)的两个方向平移自由度确定为刚性约束，z方向的平移自由度确定为弹性约束.约束点的其余三个旋转自由度都未加约束。
　　将作用在车架上的外载荷简化为等效载荷加到车架的相应部位上。对于简化后的纵梁和扭杆弹簧支架模型，载荷主要是地面对轮胎的反作用力通过扭杆弹簧前独立悬架传递给支架。根据越野车前轮跳动量，确定扭杆弹簧的扭转角度，然后根据扭杆弹簧的刚度计算得到扭杆弹簧传递到支架处的作用力。作用力的方向为垂直于扭杆弹簧的支架，方向向下，如图3所示。
　　

　　图3扭杆弹簧支架受力图

　　1.3计算与结果分析
　　根据某越野车前轮跳动(图4)计算得到：当前轮跳动量为200 mm时，由作图法扭转弹簧的最大扭转角度为3l°，由公式(1)可计算得到作用于扭杆弹簧支架E的作用力矩，由公式(2)可以得到作用于支架上的作用力。
　　M=Kψ (1)
　　F=M/R (2)
　　式中M--力矩，N·m
　　K--扭杆弹簧刚度，N·m/(°)
　　ψ--扭转角度，(°)
　　F--作用力，N
　　R--力臂，m
　　在考虑扭杆弹簧预紧力的作用下，得到作用于扭杆弹簧支架处最大的应力和位移图，如图5和图6所示。
　　

　　图4前轮跳动图

　　

　　图5扭杆弹簧支架与纵梁焊接处位移图(单位：mm )

　　

　　图6扭杆弹簧支架与纵粱焊接处应力图(单位：MPa)

　　由图5和图6表明：扭杆弹簧支架末端位移最大，为2.33 mm，扭杆弹簧支架焊接处应力最大，为376 MPa。从图6得到大应力区域集中在扭杆弹簧支架与纵梁的连接处，这是因为扭杆弹簧支架与车架纵梁是焊接结构。车架纵梁的材料为16MnL，其材料的屈服极限为350 MPa，疲劳极限为300 MPa，最大应力376 MPa大于材料的屈服极限应力和疲劳极限。在车载行驶中由于焊接处的交变应力的产生使得焊接处易发生疲劳现象，从而大大降低了材料的强度和刚度，导致车架纵粱开裂原因的产生。

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