程爽 李琳
长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心 保定 071000
摘要：CAE技术的形成以及应用落后于CAD技术。现阶段，CAE技术在我国汽车领域中得到了广泛的应用，该项技术可以将企业中的图纸信息数字化，从而减少成本输出。并且，在开展产品验证工作的时候，不管是产品的强度、还是刚度性能，都必须和我国法律规范要求相符合。企业通过不断试验样品来加以定型，生产销售。和产品设计初期的方案拟定以及图纸绘制等工作相比较而言，该项技术产生的费用比较低。在本篇文章中，重点论述了借助CAE技术对汽车车架结构进行分析与优化设计，
关键词：CAE技术；汽车车架结构；分析和优化设计
本文借助相应的CAE技术对某汽车车架展开了详细的分析以及优化设计。首先，从静力挠度、静态弯曲以及扭转刚度等方面入手，详细分析了固有模态，在这一阶段中得到了典型道路激励下的瞬态响应。另外，还需要详细的研究车架奠定薄壁梁结构自身的耐撞性能，结合试验数据来改进车架结构，进而达到轻量化要求的静态优化设计目标，从一定程度上将CAE技术的功能全面发挥出来。
1对于静力的分析
所谓静力分析，它是基于荷载作用点恒定的，加载速度比较慢或者是零，加载量值缓慢发生了改变，或者在保持恒定不变的情况下，对结构的应力、应变以及位移加以计算。在现有的设计过程中，静力分析产生的作用是极大的，它能够提供相应的功能。
1.1静挠度
对满载下车架垂向挠度进行分析的时候，可以弹簧单元COMBIN14对前后悬架加以模拟，增强刚度性能，一端连接到车架上，另外一端则是固定约束。前悬架以及后悬架的前COMBIN14弹簧单元定义成一维，本身在Z轴方向中进行变形运动，再者，后悬架后COMBIN14弹簧单元定义成二维，则是因为板簧后面允许有纵向位移，本身可以在XZ位置处实施变形运动。车架自身承受的荷载力来源于车架以上部门的自重力，载荷表现为14088.1N。不过，因为是承载式车身，对此，必须将这一荷载力均匀的作用于车架前后纵梁和地板横梁中。
1.2对于车架弯曲刚度的分析
当进行弯曲刚度以及扭转刚度分析的时候，不必考虑悬架产生的影响。
当前悬约束所有自由度的时候，后悬板簧的前端部位约束UX、UY、UZ。板簧的后端部位只是约束侧向位移UY以及绕Z轴的转动自由度。将载荷作用于前后纵梁连接位置中，一共包含24个加载节点，荷载大小为1000N。目前阶段，要想防止误差取出24位移的平均值，可以依照相关材料公式来获取车架的抗弯刚度值。
本车架弯曲刚度值属于比较小的一种，这主要是因为该车架类型是承载式车身车架，车身本身承担的抵抗刚度比较大。
1.3扭转刚度
针对汽车扭转工况而言，我国没有依照实际情况来设置相应的标准，因此，可以依照汽车国家标准编制中的大型汽车电测试验标准，采取的约束方式为使用垫板将四个车轮垫成相应的高度，随后把右前轮的垫板拆除掉，使得车轮下降480mm。
在右前轮中心位置处设置位移边界条件，使得规定节点下降480mm。右前悬释放，左前悬和后悬的前端约束UX、UY、UZ、三个线位移以及ROTZ。后悬的后端约束UY和ROTZ。
扭转刚度的计算依据材料力学公式，在这一公式内，L是前轮距，F是施加垂向载荷，h则是沿载荷作用点的垂向位置。根据计算得出的相关刚度是：。
通过分析表明，本车架的扭转刚度是极高的，在轻型汽车车架中占据重要的作用。再加上横梁密布，在抵抗扭转变形的时候产生了较高的效果。
通常情况下，车架的应力状态一般都是位于低压力状态中，平均von-mises平均等效应力是2611Pa，只能够在前后悬架的约束之下呈现出较高的应力水平。
2动力学分析
动力学分析主要包含载荷作用历程以及时间有联系的问题。它涉及到模态分析和道路激励下瞬态响应分析两种。
2.1模态分析
主要是采取CUbspace计算六阶刚体模态之外的前九阶梯只有模态。其中，第一阶固有频率体现为18.198HZ，因为车身和车架之间相互联系，不需要考虑车架和车身发生共振形象。应当重点考虑发动机和车架产生的共振问题，这是因为发动机和车架之间属于悬置连接的，发动机爆发频率是16~20HZ；经常出现的车速爆发频率是333~50HZ。车身第一阶模态12.922HZ，第二阶模态这是19.66HZ，可能出现共振现象。
跨度不平度对于汽车运动造成的激励一般属于20HZ之下的垂直振动，有激起车架一阶扭转共振的可能性，不过，因为车身和车架之间的刚性连接能够抑制这一阶振型，所以需要全面分析整车模态。
2.2道路激励下瞬态响应分析
模拟车架满载工况之下受到激励瞬态动力学分析，将位移激励设置于两前轮的悬架弹簧底部，模拟前两轮的边坡过程。对于路面尺寸，则是按照定远试车场搓板路给出，路面激励属于半正弦波形，坡高为20mm，波长是400mm。
在搓板路上当车辆行驶的时候，两前轮同时被抬起以及落下，在前轮位置处受到冲击荷载，车架受到惯性作用力而发生扭曲现象。对于前悬以及后悬而言，主要是使用弹簧单元COMBIN14进行模拟的。后悬底部是全约束，前悬的14个弹簧单元底部节点除了约束UZ方向的其它五个自由度之外，还可以将其当做唯一激励使用，把半正弦小坡划分成6个载荷不，每个载荷步内定义10个子步，时步大小是0.002S，激励非对称的目的是为了检验结果不会发生一定的变化，以此提升模型的准确性。
3对于汽车车架结构的优化分析
从以上分析可以查找出车架的薄弱环节以及工况，然后根据实际情况来优化相关结构。显而易见，这一车架的弯曲程度较小一些，因此，可以选择在弯曲工况的情况下来优化分析车辆的轻量化。
优化设计的数字模型体现在以下几点：
Min(wt(thck)
t max-str≤210
0.001≤THCK≤0.003.
在上述模型中得出，THCK是8个部件的具体厚度，MAX-STR是车架最大的等效应力值，WT则是车架整体质量。
使用合理的优化方式对其进行优化计算，因为设计空间较小，因此能够获取符合要求的数据。在满足应力要求的基础上，重量下降，厚度增加，从而满足了预先的需求。再者，提升车架弯曲刚度性能，使得车架重量下降，实现车型燃油经济性目标。
4结语
伴随着我国汽车工业的快速发展，计算机辅助工程方式得到了广泛的应用和重视，其产生的效果极高，既可以为我国汽车行业减少开发成本，与此同时，还能够满足市场变化需求。在本文中，通过分析某微型汽车的各种工况来进行相应的结构改进和优化，并且取得了一定的效果，实现了CAE分析能力的提高。
参考文献：
[1]李志祥.微型客车刚度性能的分析与优化研究[D].上海交通大学，2010.
[2]苏庆，孙凌玉，刘福保.运用CAE技术进行某微型客车车架结构的分析与优化设计[J].农业装备与车辆工程，2005(12):26-32.
论文作者:程爽,李琳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/26
标签：车架论文; 刚度论文; 载荷论文; 位移论文; 汽车论文; 结构论文; 技术论文; 《防护工程》2018年第24期论文;