CAE商用车车架弯曲刚度的提升探讨

刘陶凤 符翔

东风柳州汽车有限公司 广西省柳州市 542500

摘要：本文针对弯曲刚度有限元计算展开分析，内容包括有限元软件建模、边界条件分析、约束方法分析等，通过研究增加第四横梁、增加减重孔、调整孔位置、垂直载荷调整等优化策略，其目的在于提升车架弯曲刚度，提高CAE商用车运行过程的安全性。

关键词：CAE商用车；边界条件；约束方法；弯曲强度

随着全球经济化发展，环保、节能及被动安全性等问题的提出，在汽车新车型的开发过程中对车身的结构性能要求越来越高，而车架作为商用车的主要承载系统，其弯曲刚度是其开发过程中首要考虑的重要指标。车架的弯曲刚度是其结构反映出的载荷与变形之间关系的特性。车架的弯曲刚度不足，会引起整车满载状态下，车架变形过大；会使乘员感觉到不舒适，带来噪音和部件的疲劳损害。对此需做好相应的优化处理工作，以提高车架应用过程的安全性。

1弯曲刚度有限元计算分析

1.1有限元软件建模

图一车架弯曲度简易模型

如图一所示，在对车架弯曲刚度进行分析时，需要将其和车架弯曲频率、车架长度、结构轴距等参数关联在一起，利用相互之间的关联性来建立有限元模型。在有限元建模过程中，需要对各项参数指标进行明确，如简支梁长度、简支梁截面面积、弹性模量、车架尺寸、重力加速度、支架与约束点之间的间隔、集中结构质量等。在对模型内参数进行计算式，可以利用弯曲模态的相关公式来完成模态量计算，同时利用挠度公式和刚度计算公式来完成其他参数信息的计算工作，随后将其和标准数据进行对比，评估参数信息的合规性，从而提高分析结果的可靠性和实用性。

1.2边界条件分析

在有限元模型的分析过程中，需要做好约束条件的确定工作，在具体的分析过程中，相关的约束条件包括以下几部分：第一，对于车架左侧和右侧的约束条件为结构垂直方向或水平方向上的自由度，包括平动自由度、其他自由度释放值；第二，载荷数值的约束条件，在车架应用过程中，其中间位置所加载的集中荷载数值为固定值，和结构中间质量的自重保持一致，可利用荷载公式来完成计算；第三，对于约束条件下的一阶弯曲模态数值进行计算，同时也需要对弯曲变形情况进行计算，对于所计算数值进行细化分析，同时明确具体的弯曲刚度数值，提升计算结果的可靠性。

1.3约束方法分析

在对车架应用情况进行计算时，需要注意以下几方面应用内容：第一，对于车架平动自由度进行约束处理，如果悬架结构使用的结构为板簧结构，那么在对其进行约束时，会选择结构安装点之间的中间位置来作为约束点，此时计算模型也会转移到副车架结构上，以确保车架结构使用过程的稳定性。第二，做好测点分布问题的处理工作，了解结构所在位置的最大位移点所在位置，同时也可以对弯曲刚度值进行合理计算，绘制相应的刚度变化曲线，做好参数信息的分析工作，从而提升分析结果的可靠性。

2车架弯曲刚度的提升策略

2.1增加第四横梁

通过增加第四横梁，能够起到良好的受力分流效果，进而提高车架结构的弯曲刚度。选择增加第四横梁的主要原因在于，车架结构的加载点多集中在第三与第五横梁之间，但两者之间的长度相对较大，需要提供额外的结构支撑，以提高结构本身的综合强度。在第四横梁增加过程中，需要对结构所在位置进行计算，可以参考有限元模型来对添加位置荷载情况进行分析，可以借助仿真模型来模拟添加不同位置后所带来的受力情况，经过综合评估结果来确定结构可以添加的最佳位置，从而提升数据分析结果的可靠性。

2.2增加减重孔

通过增加减重孔，可以减少支架结构的总重量，借此来提升车架结构的弯曲强度。在减重孔所在位置的确定过程中，也需要对车架结构的整体性能进行评估，在满足要求的基础上兼顾轻量化要求，设置一定数量的减重孔^[1]。总结以往的应用经验，在实际改进过程中可以在商务车第一横梁、第五横梁、第六横梁和第七横梁上进行减重孔设置，设置位置避开主要荷载点，随后对于其他横梁结构的强度进行适当提升，借此来分流减重横梁结构受力，确保整个车辆的稳定性。另外，在实际应用过程中，也需要做好减重孔数量的控制工作，从而将参数控制在合理范围内，确保结构受力的均衡性。

2.3调整孔位置

通过调整孔位置，能够调整车架结构的受力分布，借此来提高车架结构的稳定性。在CAE商用车结构中，基础板体系中的第三横梁容易在外界冲击下出现钣金压溃，这也对车架结构弯曲强度带来较大的负面影响。对此在实际调整过程中，可以将孔位置从原来侧面位置调整到钣金中心位置，同时也会对其他车架结构相对位置进行调整，在确保CAE商用车外形不变的情况下，使车架结构整体性得到大幅度提升，满足相应的荷载要求。另外，在确定孔位置时，可以对预选方案进行仿真实验，根据实验结果来调整相关参数，从而提高孔位置的合理性^[2]。

2.4垂直载荷调整

除了上述优化措施外，在对结构弯曲强度进行优化时，还可以对垂直荷载进行调整，借此来提升结构荷载分流情况，提升结构本身的稳定性。在垂直荷载调整过程中，需要做好垂直荷载初始数值的计算工作，同时在应用中也会兼顾其他荷载的变化情况，利用仿真软件来模拟出最优化的解决方案，评估该方案的可行性和经济性，进一步优化方案内容，从而提升所设计荷载分流方案的可靠性

^[3]。

结束语

综上所述，增加第四横梁，能够起到良好的受力分流效果，增加减重孔，可以减少支架结构的总重量，调整孔位置，能够调整车架结构的受力分布，垂直荷载调整，可以提升结构荷载分流效果。通过采取合理措施来提升车架弯曲强度，对于提升车架结构稳固性有着积极地意义。

参考文献

[1]陈海彬.基于CAE商用车车架弯曲刚度的提升[J].汽车实用技术,2020,45(16):99-100+119.

[2]郝丽丽,张作功,崔震,王乾勋,刘威峰,秦国亮.商用车车架弯曲刚度研究[J].汽车实用技术,2020(06):68-71.

[3]陈姗姗,韦尚军,吉春雨,万志敏,郑伟光.基于模态分析的某商用车车架结构优化设计[J].装备制造技术,2019(11):40-43+72.