汽车车架载荷强度优化设计与仿真研究
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[摘 要]为了保证汽车车架的动态特性满足设计要求，针对车架强度载荷获取问题，需要建立车体动力学模型，基于有限元方法对车架进行仿真分析，使车架能够在各个工况下满足强度要求。采用有限元的方法进行仿真分析时，除了能够避开车架结构的频率外，还能够避免发生共振，仿真能够满足各项特性的设计要求。
[关键词]车架；载荷；强度；仿真
中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0109-01
汽车车架作为汽车最重要的组成部分，大部分的部件都需要通过车架进行位置的固定。车架的主要作用就是需要承受外力的负荷，承受汽车自带零件的重量负荷、行驶过程中受到的冲击负荷。车架需要有较强的可靠性功能，车架的可靠性关系到汽车的正常行驶与安全，如果车架受到外力负荷作用而产生振动，将会影响到汽车整体的舒适性。车架设计直接影响到汽车的质量以及舒适程度，质量的好坏决定了强度和刚度的性能对车体的影响，加强对车架的静态以及动态特性的研究非常重要。通过对汽车车架进行有限元分析，得到车架结构的外力来源分布，研究汽车车架的动静态特点需要满足车架设计的相关标准，通过多体动力学原理建立企业动力模型，对车架的载荷强度进行仿真分析。有限元方法能够对车架进行弯曲刚度、扭转刚度的仿真分析，对保证汽车整体的质量结构具有重要意义[1]。
1. 力學模型
在本设计中，采用的是有限元法进行汽车载荷强度的仿真实验，将车架离散作为有限单元。首先对有限单元的特性进行分析，将单元的特性矩阵进行集合，然后对其进行分析。分析时要加入车架边界的载荷条件，对平衡方程的解决方法进行求解，能够得到节点位移。因为汽车车架的结构复杂，为了提高效率，建立有限元模型，对车架的强度进行计算，减少有限单元的数量。减少单元数量需要有一个前提，在不失主要因素时将次要杆件省略，杆件的存在就是为了满足车架构造的要求而进行设计的，与强度要求没有太大的联系，且杆件的横截面积小，在进行模型计算时可以忽略。对汽车车架进行有限元划分时需要考虑到车架的特点，将车架的结构进行简化，让整个车架能够承受垂直方向的载荷力量。根据弹性力学理论，当横截面在扭转变形后发生弯曲，需要考虑惯性因素。但是一般情况下采用有限元进行计算时忽略了弯曲造成的影响，因此在今后对车架结构的设计分析时，要考虑到单元刚度以及弯曲造成的影响。
2. 汽车车架的载荷强度优化设计
因为汽车的工况较为复杂，因此作用在车架上的载荷变化也较大。当汽车处于静止的状态下，车架只承受弹簧以上的载荷重力，载荷由车架、自身重量以及车架与附近质量形成的重力构成。汽车在平坦的道路上行驶时，路面产生的反作用会让车架承受载荷，让车架变形，车架上各处的载荷决定弯曲变形的面积；汽车在崎岖不平的路面行驶时，汽车的车轮不会再同一个平面，车架会随着车身一起发生倾斜，这种情况下也会造成倾斜，使车架发生扭曲变形，车架的刚度决定扭曲的程度。平坦的道路上车架承受的是垂直载荷，崎岖道路上车架承受的是对称载荷，都会对车体造成一定的影响。结果证明，与车架强度有直接关联的是弯曲与弯扭[2]，对车架进行静力分析就是为了得到最大载荷的应力与变形，以便对强度与刚度进行核算。
3. 仿真研究
3.1 建立模型
本研究以载重汽车车架为例，载重汽车的车架由横梁与纵梁组成，因此在对车架进行模型化时，需要通过三维梁单元与杆单元模型进行计算。如果将货厢考虑在内，需要先将车架与货厢进行联系，强化车厢与车架之间的关系，忽略货厢底板与侧板造成的影响。在货厢模型中，用梁单元表示底架，用板单元表示底板，如图1所示。
3.2 仿真分析
当汽车处于满载荷情况下，常用的车速约为60km/h，试验车速可以大于常用车速，也可以小于常用车速，或者是正常的车速，仿真时间为8s。仿真结束后，得出汽车在不同的车速状态下行驶时与车架连接处的动态载荷谱。通过仿真可以得出，在平坦的路面行驶，不同的车速受到的路面刺激是不同的，车速在行驶的过程中对车架有一定影响，车速越高，受到的激励则越大。通过仿真分析得到的激励反应不大，分析存在的原因，选择路面较好，但是不同车速，分析车架受到的载荷影响，得出不同车速下车架受到的载荷没有较大影响。
3.3 模型验证[3]
为了对模型的精确度进行验证，需要对车辆行驶的仿真结果与试验车的结果进行比较。试验车在满载情况下，根据相关要求，在车速60km/h的状态下，得到后轴上方座椅的速度值，awx=0.0015m/s2，awy=0.0038m/s2，awz=0.0048m/s2，根据公式可以得到加速度的值为aw=0.2048m/s2。仿真实验结果对比后，分析加权振级与加权加速度给人的主观感觉。当加权加速度均方根值小于0.314m·s-2，加权振级为112db时，人没有不舒服；
当加权加速度均方根值小于0.314～0.63m·s-2，加权振级为112～116db时，人会有一些不舒服；当加权加速度均方根值小于1.4～1.0m·s-2，加权振级为116～120db时，人会相当不舒服；当加权加速度均方根值大于2.0m·s-2，加权振级为128db时，人会非常不舒服，甚至会感受到痛苦。当车速在60km/h时，对路面进行仿真试验分析，驾驶员在座椅上的等效值均值的试验结果为113.5db，仿真结果为102.4db。可以得出仿真结果与试验结果误差不大，说明建立的模型是合理的。
结束语：
车架的载荷强度与货厢载荷的位置与刚度有关，当位置发生改变时，车架会受到影响。车厢底架和车架之间需要通过纵向方向，能够有效保证车架的强度，改善车架的应力分布，节约材料。对于弯曲工况而言，货厢对车架的强度贡献不明显，在设计车架时，不考虑车厢的结构，能够满足弯曲强度的要求；扭转工况中，货厢的存在加强了车架的强度，降低了车架的应力。因此，货厢的存在有助于增强车架的强度，节省车架的材料。
参考文献：
[1]黄海华. 汽车车架载荷强度优化设计仿真[J]. 计算机仿真， 2017（11）：114-118.
[2]宁士翔， 苏小平， 王宏楠. 基于ADAMS/Car对车架动载荷的仿真分析[J]. 机械科学与技术， 2014， 33（2）：289-292.
[3]赵东升. 三轮汽车车架轻量化设计研究[D]. 山东大学， 2015.
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