摘要：以边梁式车架为研究对象，通过SolidWorks三维实体建模软件建立汽车车架的实体模型，再利用ANSYS对车架模型进行有限元分析。通过对其静态分析，得出车架在弯曲工况和扭转工况下的变形图和应力分布图。通过分析，对车架结构进行优化设计，重新建立车架模型并进行有限元分析，实现车架轻量化设计。
关键词：边梁式车架；实体建模；有限元分析；轻量化
0 引言
随着国民经济的发展和交通运输体系的全面建立，汽车工业得到了飞速发展。汽车车架是汽车的重要承载部分，汽车绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置，同时汽车车架的自身质量也在汽车整车总质量中占有较大的比重，实现车架的轻量化对汽车轻量化具有重要意义[1]。
车架是汽车的主要承载部件，汽车车架的结构形式基本上有三种：边梁式车架、中梁式车架和综合式车架。其中，以边梁式车架应用最为广泛。边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。
1 车架有限元模型的建立
利用solidwoks软件建立简化后的三维实体模型，车架由两个纵梁及六根横梁铆接而成，前后等宽。车架纵梁长3280mm，最大剖面尺寸为120mm×30mm×8mm（高×宽×厚），六根横梁长度均为1260mm，沿纵梁两侧平均分布八个支座。将建立好的模型导入ANASYS有限元分析软件中。在有限元网格划分过程中，考虑到车架结构及壁厚，采用solid186单元进行网格划分。通过试算，设置网格的单元边长度为15mm。车架材料采用16MnL，其屈服强度为345Mpa。
2 载荷及约束条件
根据给定材料密度及体积有限元软件自动计算出车架质量，然后通过定义重力加速度得到车架自重；定义发动机总成载荷、传动系统总成载荷以及悬挂载荷大小为3750N，按集中载荷处理；定义车身载荷大小为7000N，平均加载到沿纵梁外侧分布的八个支座上；定义驾驶室及乘客载荷大小为4000N，定义油箱和备胎等附件载荷大小为1350N，分别按等效载荷分布到相应的单元区域[2]。
在车架满载弯曲和满载扭转两种工况下进行分析，满载弯曲工况是指汽车在平坦的路面上匀速直线行驶时的状态。在这种情况下，动载系数取2.6。约束左前点的UY、UZ，右前点的UX、UY、UZ，左后点的UY，右后点的UX、UY。满载扭转工况是模拟汽车在崎岖的路面上行驶时，一个车轮被抬起，另一个车轮被拉低的状态。在这种情况下，动载系数取1.5。约束前两点的UX、UY、UZ，后两点的UX、UY。
3 车架模型计算结果及分析
通过计算分析，车架模型弯曲和扭转工况下应力分布和变形情况如图5所示。
图1 弯曲扭转工况下应力分布图和变形图
原车架模型的最大应力为91.5Mpa，出现在弯曲工况下；最大位移为0.9mm，出现在弯曲工况下。根据材料的强度要求，16MnL的屈服极限为345Mpa，而原车架模型的最大应力远远小于材料的屈服极限，故原模型满足设计要求，并有很大的轻量化提升空间。
4 车架的轻量化设计
根据汽车轻量化的设计原则，对车架进行结构轻量化设计。纵、横梁钢板的厚度均减小3mm；在第3、4、5、6根横梁上分别开设两个椭圆孔。经计算，轻量化设计后的新车架比原车架质量减轻约20%。
5 轻量化车架的有限元分析
建立轻量化车架有限元模型，对轻量化车架进行有限元分析，在两种工况下应力分布和变形情况如图2所示。
图2 轻量化车架模型弯曲和扭转工况下应力分布图和变形图
轻量化车架模型的最大应力为191Mpa，出现在弯曲工况下；最大位移为1.2mm，出现在弯曲工况下。16MnL的屈服极限为345Mpa，轻量化车架模型的最大应力小于材料的屈服极限，故该轻量化车架模型满足设计要求。
6 结论
通过对该种边梁式车架的有限元分析计算，得到了车架在弯曲工况和扭转工况下的变形图和应力分布图。根据汽车轻量化的原则，对原车架模型进行了结构轻量化设计，并在弯曲工况和扭转工况下，对轻量化车架模型进行了有限元分析。通过分析这两种工况下轻量化车架模型的变形图和应力分布图，得到了最大应力和最大变形值，并表明该轻量化车架满足使用要求。通过对该车架的有限元分析和结构的轻量化设计研究，为车架设计的改进和优化提供了理论依据和参考数据，也为其他车型的车架的改进设计提供了一种很好的研究方法。
参考文献：
[1]曲昌荣.汽车车架轻量化设计[D].西华大学，2006.
[2]李稳迪，刘大龙，张瑞，张凯，施伟辰.基于ANSYS Workbench的某汽车车架轻量化设计[J].汽车实用技术，2017，18（10）：51-54.
作者简介：
张东杰（1994年），男，汉族，山东省德州市，研究生，本科，山东建筑大学，机械设计。
论文作者:张东杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：车架论文; 工况论文; 轻量化论文; 模型论文; 载荷论文; 应力论文; 弯曲论文; 《基层建设》2018年第30期论文;