基于有限元的车架扭转刚度分析

摘 要：本章利用有限元专业前处理软件ANSA对四轮车车架及悬架进行几何清理、网格划分和有限元模型的建立，然后对车架-悬架系统进行了扭转刚度分析，用以评价该车架刚度，为车架的优化作理论依据。

关键词：有限元;扭转刚度;有限元模

车架是整个车身的安装机体，其强度和刚度直接影响汽车的使用性能，车架的刚度关乎整车的动力响应、NVH特性及主动安全性，是车架结构设计中非常重要的衡量指标[1]。建立正确的有限元模型是有限元分析的基础，分析结果有效性的关键也与有限元模型的正确与否密切相关。

1 有限元模型建立

四轮车车架悬架系统有限元模型的建立要求能够如实的反映车辆在正常使用过程中车架悬架系统受到的载荷，保证有较高的计算精度。车架悬架各零部件间采用焊接方式连接而成，由于在仿真分析中没有必要建立包括所有零部件的有限元模型，所以建模前对车架悬架整体结构进行分析，确定各个零件对车架悬架结构受力的影响，根据影响程度的不同确定该零件是否保留[1]，如下图1所示。

将壳体抽中面，并进行连接。为了确保连接符合车架和悬架的原始结构特性，连接车架时要严格对照车架的原始三维几何模型，尽量采取直接延伸面或延伸管来连接，保证与原始模型有相同的平滑过渡，保证受力不会出现突变。

由于整个模型的极度不规则，为了避免丢失模型的一些几何信息，并考虑计算机的计算时间，必须定义合理的单元大小，此模型中将单元平均大小设为12mm，局部网格的尺寸为5mm左右。建立的有限元模型如图2。

2 车架扭转刚度计算分析

2.1 扭转刚度的边界条件

扭转刚度是指车架承受扭转载荷作用时产生的扭矩。汽车车架的扭转刚度可以用车架在扭转载荷作用下产生的扭转角的大小来描述。平均扭转刚度以轴距间单位扭转角下车架所承担的扭矩来描述。车架扭转角的定义是在扭转载荷的作用下前后轴两横梁相对的回转角。

该车架为左右不完全对称结构，这造成车架左右两侧位移量有偏差，使得车架有侧向变形的趋势，进而引起车架Y向位移变化量;同时，车架扭转合位移变化量两中同时包含减振器的弹簧压缩量和车架扭转变化量，这也是扭转刚度计算中的难点。当车架施加扭转刚度边界条件时，h即为始终与车架运动方向相切的位移变化量，它存在于X-Z平面内，位移差值h与Y向差值的情况如图3、4所示。

按照上述方法对车架加载边界条件，约束后车轮悬架安装处对应节点的X-Y-Z向自由度，在前车轮悬架安装底板两侧中间位置施加一对z向上大小相等，方向相反的集中力，为防止所加载力过大或者过小，加载作用力大小为1000N，即给车架施加一个扭转力矩。

2.2 扭轉刚度的计算

将加载好的计算扭转刚度有限元模型导入LD-DYNA中求解计算，提取减振器安装支架点91013与61685的相对合位移曲线及相对Y向位移曲线，如下图5所示。

因点91013与61685的相对合位移中，包含减振器的弹簧压缩量如下图所示，为求的扭转力作用下的绝对位移，应去除该部分位移量，如下图6所示。

由上图得位移差值，h==0.013m计算得到车架的扭转刚度c=2153.1Nm/°。

2.3 扭转刚度评价标准

在发动机动力总成系统中，发动机动力总成悬置系统的固有频率f1的布置区间通常为5 Hz ～25Hz[4]，并且考虑到隔振的有效性，悬置的最高频率f2通常为发动机动力总成悬置系统固有频率的倍[5]，f 1==当车架的扭曲变形容易引起车架直接影响车架的疲劳强度问题，当车架扭转刚度较小，车架在受到路面激励时，发动机悬置系统容易出现疲劳问题。然而车架频率一定的情况下，车架的刚度越大，整车的质量会相对越高，这对于降低油耗是不利的，因此车架的刚度应限制在一定范围内。

由四轮车车架模态分析可知，第一阶扭转模态频率为31.3Hz，则悬置扭转频率为f2=0.717*31.3= 22.4 Hz。单自由度系统中系统质量与系统固有频率[2]的关系为：

（1）

系统质量一定的情况下，刚度越大频率越大，由于发动机动力总成系统频率在一定范围内，所以车架的刚度稳定在一定区域。其中17.8Hz≤f≤22.4Hz，由车架总重量推算出该车架扭转刚度，2061.8Nm/°≤C≤3265.1 Nm/°即可作为该车架扭转刚度评价标准。

由上文计算可知：车架的扭转刚度c=2153.1Nm/°，与车架扭转刚度区间2061.8Nm/°≤C≤3265.1 Nm/°相比可知，该四轮车车架的扭转静刚度满足要求，但扭转刚度富余值较小，车架拥有优化刚度空间。

综上所述，本文建立了车架、悬架有限元模型，并进行组装，建立了车架-悬架扭转刚度有限元模型边界条件，通过车架扭转刚度计算，得到该车架扭转刚度c=2153.1N.m/°与车架扭转刚度2061.8Nm/°≤C≤3265.1 Nm/°相比可知，该四轮车车架的扭转刚度富余值较小，因此以该车架的扭转刚度作为刚度评价参数更为合理，此分析对相关的结构强度研究分析就一定的参考性。

参考文献：

[1]王松.某商用客车车架有限元分析与结构优化[D].华中科技大学硕士学位论文，2012，05.

[2]胡海岩.机械振动基础[M].北京航空航天大学出版社，2005：10-15.

作者简介：范芳（1984-），女，山东临沂人，硕士，讲师，主要研究方向：汽车大类高职学生的专业课教学及课程研究。