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1、第25卷第6期南 京 理 工 大 学 学 报Vol.25No.62001年12月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyDec.2001X轻型汽车车架动态有限元分析XX①张铁山 胡建立 唐 云(南京理工大学机械工程学院,南京210094)(①跃进汽车集团公司,南京210037)摘要 为了NJ1030系列某型车架改进需要,讨论了车架强度问题。采用构件装配方法建立车架三维模型,利用大型软件Ideas对NJ1030轻型车车架进行有限元建模。应用有限元对
2、车架进行了动态分析,同时进行了车架的疲劳试验,并对试验结果和计算结果进行了比较,得到了车架应力、变形规律及动力特性。关键词 汽车车架,动态分析,有限元分析分类号 U463.32车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础,是汽车的关键承载部件,其强度设计和动态特性研究非常重要。由于车架的结构和受力的复杂性,以往车架设计和校核多采用简化力学模型且主要考虑静强度,因此合理的设计目标很难实现。随着计算机技术的发展,自[1～3]20世纪80年代以来,国内汽车行业已将有限元应用于车架强度计算,使得车架的动态分析成为
3、可能。笔者采用试验和有限元法对NJ1030系列某型车架进行研究。1 车架的台架试验分析1.1 试件及试验方法#由某汽配厂提供的NJ1030系列某型轻型汽车车架总成2件。1试件用于弯曲疲劳#试验,2试件用于扭转疲劳试验。试验采用道路模拟试验系统、测力传感器、坡度仪等仪器设备,并依据主机厂企业标准进行。考虑到试验车型驾驶室的后排质量的重心距前轴中心线较远,对车架的弯曲疲劳有影响,故车架载荷主要有:车架总成、车厢总成、驾驶室部分重力及装载重力。弯曲疲劳试验试件的安装:用工字型假簧代替前、后钢板弹簧,分别用螺
4、栓螺母、铰链与车架联结;前后轮中心线处的工字型假簧分别装有滚轮,并分别置于台架的活动支承上。扭转疲劳试验试件的安装:用工字型假簧代替钢板弹簧,后轮工字型假簧通过球绞链连结到固定支架上;前轮中心线处用一工字型横梁与前轮工字型假簧连结,横梁的中点用一杆端关节轴承联接到固定支架上;横梁的右端用一杆端关节轴与测力传感器球头联接,测力传感器再X收稿日期:2001-02-18XX张铁山 男 42岁 高级工程师总第121期 张铁山 胡建立 唐 云 轻型汽车车架动态有限元分析589与试验设备的作动器相连。试
5、验中的有关数据见表1,表1中d为车厢载重系统重心离后轴中心线的距离,P为二阶段弯曲疲劳试验载荷,β为车架轴间扭转角,n为扭转循环次数。表1 试验中的有关数据Table1Dataofthetests弯曲疲劳试验扭转疲劳试验d/mmP/N加载方式β/(°)n加载方式7230～24900/4Hz等幅正弦±1、±2、各转角10万次,4592Hz等幅正弦2410～29730共55万次±3、±4共40万次1.2 试验结果及分析##1试件试验结束后未发生失效。2试件在试验进行到312290次循环时(4°扭转角),车
6、架2个纵梁在其与第3横梁交接处断裂,试验结束。断裂情况如图1所示。#2试件纵梁断裂主要原因是该部位强度不够,因而应适图1 车架扭转疲劳试验结果示意当加厚纵梁或改进结构;横梁与纵梁连接处存在应力集Fig.1Schemeofframetorsion中,应考虑横梁与纵梁连接方式,消除应力集中。fatiguetestresult2 车架有限元模型及振型采用装配的方法并对搭接处仿真处理进行车架建模。左右纵梁的装配孔只保留了加载等处的重要孔。忽略对刚度和强度影响不大的附件,仅考虑其对车架应力的贡献。车架-轮胎-路
7、面边界处理,采用刚单元模拟轮胎,对轮胎约束。钢板弹簧用2根刚度不同的的弹簧单元模拟,再用截面不同的梁单元连接2个弹簧单元,使之形成一个整体。整个车架被划分为4888个节点,6537个壳单元、2796个质量单元、8个弹簧单元、361个刚单元、12个梁单元,有限元模型见图2。车架载荷按照部件的安装位置和重量的大小进行处理。根据虚功原理求出矩阵形式的运动方程。系统自由振动动力特性即固有频率和振型的求解问题,为求与之相应的矩阵特征值和特征向量问题。根据板簧连接的物理结构,车架的钢板弹簧的前端固定,图3节点1所
8、示,约束全部自由度,后端节点2可绕支承转动和纵向平移,约束其它全部自由度,约束轮[1]胎(节点3)的所有自由度。计算得到车架的前10阶固有频率f的值见表2。图2 有限元模型图3 钢板弹簧约束示意图Fig.2FiniteelementmodelFig.3Schemeoftheplatespringrestrictedsketch590南 京 理 工 大 学 学 报 第25卷第6期表2 车架结构模态计算结果Table2Modecalculat
