某越野車懸架安裝梁強度分析及優(yōu)化

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前沿

在部分越野車承載式車體中,懸架安裝梁是汽車的基體,其主要的功用是支撐和連接汽車底盤上的各總成,例如:三角臂,減速器總成等,使各總成之間保持正確的位置,并且承受來自底盤懸加系統(tǒng)和車輪的各種沖擊和振動。安裝梁強度性能的好壞,直接影響到整車行駛的安全性。

所以在設(shè)計開發(fā)初期,結(jié)合先進的CAE仿真分析技術(shù),開展對懸架安裝梁總成方案的強度及剛度分析,尋求符合目標的最佳產(chǎn)品設(shè)計,進而縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)費用。

本文以某款越野車懸架安裝梁總成為例,系統(tǒng)介紹了有限元建模、工況定義、仿真分析的過程,基于初次強度仿真分析結(jié)果,對安裝梁的原方案進行優(yōu)化結(jié)構(gòu),再次分析表明,改進方案滿足強度使用要求。

2 安裝梁模型的建立

懸架安裝梁總成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,主要由縱梁、橫梁、掛板和彈簧支座等組成,各零部件之間通過焊縫焊接,安裝梁本體與車身形成剛性連接。在安裝梁建模的過程中,厚度均勻的鈑金零部件,采用二維殼單元建立有限元模型,對于非均勻厚度零部件及鑄造件(例如:掛板)等,采用三維實體單元建立有限元模型。各鈑金件之間的螺栓孔采用RBE 剛性連接。懸架安裝梁本體的材料為DL590,材料的屈服極限為560MP。

本文基于越野車底盤懸架靜強度分析六工況,通過多體軟件Adams計算懸架系統(tǒng)硬點載荷,以慣性釋放方法分析車體及懸架安裝梁的強度,首先將建立完成的懸架安裝梁通過RBE單元剛性的連接在白車身上,因縱向安裝梁及掛板為強度分析的關(guān)鍵件,對該總成進行網(wǎng)格細化。發(fā)動機、變速器、主副油箱、冷卻系統(tǒng)及傳動軸等與實際設(shè)計質(zhì)量相符,各總成通過質(zhì)量點的形式剛性連接在車身上,所建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 懸架安裝梁有限元模型

3 工況加載

在汽車行駛的過程中,懸架系統(tǒng)主要受到來自地面的沖擊,同時將載荷傳遞到懸架安裝梁和車身總成,依據(jù)越野路面狀況,車身和懸加安裝梁強度可分為六種工況進行分析即為:靜態(tài)穩(wěn)定工況、垂直跳動工況、驅(qū)動垂直跳動工況、制動工況、驅(qū)動轉(zhuǎn)向工況及轉(zhuǎn)向工況。在有限元分析的過程中,懸架安裝硬點載荷依據(jù)以上六工況,通過多體軟件Adams 計算所得。因該越野車為三軸車型,共有前中后三套懸架總成,載荷分別施加在上下三角臂安裝點,彈簧安裝點等共計30處硬點位置,左右對稱,且前中后懸架安裝方式相同,取前懸架載荷施加位置為例,其左側(cè)硬點如圖2所示。

圖2 前懸架載荷施加硬點位置

載荷加載完成后,形成INP文件,定義PARAM INREL卡片為-2,以慣性釋放方法,應(yīng)用OptiStruct求解器進行求解。

4 結(jié)果分析

分析完成后,通過后處理察看結(jié)果,前懸架基本無應(yīng)力集中現(xiàn)象,各工況最大應(yīng)力均出現(xiàn)于中后懸架,六工況下車身及懸架安裝梁應(yīng)力,以垂直跳動工況和驅(qū)動垂直跳動工況最大,且超過材料的屈服極限,兩工況應(yīng)力分布圖,如圖3和圖4所示。

通過應(yīng)力云圖可以看出,垂直跳動工況,驅(qū)動垂直跳動工況最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)于懸加掛板和安裝梁連接板及縱向安裝梁末端處,需對懸架方案進行優(yōu)化,以滿足強度使用要求。

5 原因分析

中后懸架原設(shè)計方案為,上下三角臂通過軸銷連接在懸架掛板上,三角臂可繞軸銷上下轉(zhuǎn)動,以滿足在越野路面上不同的輪跳。懸架掛板與縱向安裝梁通過中間連接板進行剛性連接,因掛板為鑄造件,縱向安裝梁厚度為8mm,連接板為沖壓鈑金件,厚度為5mm,故掛板和安裝梁剛度遠高于連接板,導(dǎo)致在垂直沖擊或驅(qū)動垂直沖擊等受力較大的工況中,最大應(yīng)力均集中在連接板上,故需對該懸架設(shè)計方案或連接板方案進行優(yōu)化,以提升強度性能。對安裝梁末端應(yīng)力集中現(xiàn)象主要因為末端與車身為斷開結(jié)構(gòu),車身未承擔(dān)部分懸架載荷所致。

6 優(yōu)化方案

基于原方案的強度分析結(jié)果,對車身及懸架安裝梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,改進方案為取消中后懸架連接板及縱向安裝梁,將懸架掛板與車身地板一體化,兩者通過一安裝板形成剛性連接,安裝板與車身地板為焊接結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有螺栓套筒支撐,該方案相比原方案優(yōu)點在于:(1)因取消安裝梁,車身地板下移,后部乘員乘坐空間更大;(2)安裝板為沖壓鈑金件,其重量相比原方案減輕16Kg,有利于整車輕量化;(3)該懸架車身一體化方案,避免原方案中安裝梁末端與車身形成斷開結(jié)構(gòu)。其優(yōu)化方案如圖6所示。