基于HyperMesh的纵梁加固板对车架总成刚度影响的分析

魏俞斌

摘 要：文章以某轻型卡车车架为研究对象，应用HyperMesh分析软件，对比分析不同形状加固板对车架总成弯曲刚度、扭转刚度及模态的影响。经过对比分析，我们量化了加固板变动对该型卡车车架刚度及固有频率的影响，为设计提供有力的数据支撑。

关键词：车架;加固板;刚度;有限元

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）19-149-03

Analysis on the Influence of Longeron In-fixed Board on Frame Stiffness

Based on Hyper Mesh

Wei Yubin

（Anhui Jianghuai Automobile Group Corp. Ltd.， Anhui Hefei 230601）

Abstract： With a certain light truck frame as the research object， this paper contrasts and analyses the influence of different shape in-fixed boards on the bending stiffness， torsional stiffness and modal of frame by applying the Hyper Mesh analysis software. After the contrast and analysis， we quantified the influence of reinforcement plates change on the frame stiffness and natural frequency of the light truck， providing a strong data support for frame design.

Keywords： Body frame; In-fixed board; Stiffness; FEA （finite-element analysis）

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）19-149-03

1 引言

车架作为车辆承载基体，是重要的受力件，汽车大部分部件，如动力总成、驾驶室、悬架、车桥、货厢等都与车架直接连接，在车辆行驶过程中，车架会承受来自路面的各种冲击以及扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪力。因此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的各种机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小;车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性，纵梁、横梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘座舒适性、操纵稳定性及某些部件的可靠性下降。

轻型卡车车架总成一般采用边梁式结构，该结构车架总成由两根相互平行的纵梁和若干根横梁组成。为提升车架整体刚度，通常在车架中段增加U型、L型等结构形式的加固板，本文以某轻型卡车车架为研究目标，针对车架总成开发过程中不同结构形式的中段加固板，运用有限元分析软件HyperWorks进行弯曲刚度、扭转刚度及模态的对比分析，量化车架中段加固板变动对总成刚度的影响。

2 车架总成刚度及模态的计算

2.1 车架总成弯曲刚度的计算

为了简化计算，可以把车架整体简化成一根具有均匀刚度的简支梁，在梁的中间加集中力，如图1所示，即可得到近似车架简支梁的弯曲刚度计算式：

（1）

式中：Cw为弯曲刚度，N·m2;F为集中载荷，N;L为轴距，m;f为挠度，m。

运用HyperWorks软件可以方便的计算出某一集中载荷下的车架挠度值。建立车架总成有限元分析模型，其中弯曲刚度的约束边界条件是约束车架总成前轮中心处的3个平动自由度，以及后轮中心处的纵向和侧向平动自由度;载荷条件是在两根纵梁的中点处施加相同大小的铅垂方向的集中力，通过分析可以得到该载荷下的挠度，从而计算出车架总成的弯曲刚度。

2.2 车架总成扭转刚度的计算

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。其中车架扭转角是在扭转载荷的作用下前后轴两横梁相对的回转角，如图2中的θ。

则车架前轮中心处的扭转刚度计算公式为：

（2）

式中：Gj为扭转刚度，N·m2/rad;T为扭矩，N·m;F为集中载荷，N;b为车架宽度，m;L为轴距，m;θ为回转角，rad（θ由扰度h及车架宽度b计算得出）。

扭转刚度有限元分析模型的约束边界条件是约束后轮轴线正上方纵梁下翼板处3个平动自由度，前段横梁中心纵向和侧向平动自由度;载荷条件则是在前轮轴线中点位置处左右纵梁上施加扭矩3000N·m。通过分析可以得到该载荷下的挠度，计算出车架总成的扭转刚度。

2.3 车架总成模态的计算

自由模态分析的目的是为了解部件的固有频率是否在合适的范围内，同时了解部件的刚度分布是否合理，以便为设计的改进设计提供依据。

3 纵梁加固板变动对车架总成刚度及模态的影响分析

3.1 几种常见的纵梁加固板变动情况

车架总成中段加固板通常有L型、倒L型、U型三种状态，本文以某轻型卡车车架中段加固板变动为例，计算分析不同加固板结构（文中编号分别为2800-L、2800-Г、2800-U，加固板料厚均为3mm，原型车架不带加固板状态车架编号2800-0）对车架总成刚度、模态的影响。

3.2 变动车架总成刚度计算、對比

按照第2章中的方法对车架总成刚度进行计算。以原型车车架弯曲刚度计算为例，原型车轴距为3.308m，在4000N的集中载荷下，用HyperWorks分析得到挠度值为1.737mm，故弯曲刚度Cw=FL3/48/f=1.74×106N·m2。

同样的方案对其他结构车架弯曲刚度进行计算，位移图见图3所示，计算结果见表1。

原型车车架总成外宽为0.72m，在3000N·m的扭矩载荷下，回转角为14.3°，计算得扭转刚度为3.98×104N·m2/rad。

同样的方案对其他结构车架扭转刚度进行计算，位移图见图4所示，计算结果见表1。

3.3 变动车架模态计算、对比

由于对车架的振动响应影响较大的激励频率多集中在低频域，所以本文重点分析了前4阶固有频率与振型。车架固有频率计算结果如表2所示。

4 结论

通过上述分析，可以得出以下结论：

（1）不同加固板结构对车架扭转刚度影响不大，变动量3%-5%;对车架弯曲刚度影响较大，其中U型加固板能有效提升车架弯曲刚度，变动量达28.8%，L型加固板状态优于倒L型加固板结构。

（2）不同加固板结构并未改变车架总成整体结构，对车架总成固有频率及振型影响很小，不同车架前4阶固有频率相当，振型相同。

加固板料厚的变化也会影响车架总成刚度和强度，本文仅分析了加固板形状对车架总成刚度的影响，实际设计中要结合刚度、强度、模态的变化综合评估，确定变动方案可行性。

参考文献

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