CAE技术在汽车车架设计中的应用

孟丽 泰安航天特种车有限公司

随着社会的发展，汽车的数量逐渐增多，车架在汽车的整体结构中起着重要的作用。因此，必须重视车架的设计质量，商用车是一种用于汽车运送的车辆。它的性能直接影响到汽车的使用寿命和汽车工业的未来发展。其设计和技术特点分为货车和客车。本文根据车辆的总体布置，利用有限元分析软件对某商用牵引车车架进行力学性能分析，了解车架的力学特性。检查强度是否符合要求。

一、车架构成及分析方法的确定

1.车架结构。边梁式是车架的主体结构，组成是纵梁两根横梁若干。箱形结构是纵梁断面。第一梁采用管状结构，梁的两端用螺栓固定在纵梁上；两中间梁为支承截面梁，结构两端用螺栓固定在纵梁上。平衡轴上的梁为支承截面梁结构，与纵梁连接处的加强板，平衡轴用螺栓固定在纵梁翼；尾梁为箱型结构；变速箱下的盆梁用螺栓连接在纵梁下翼板。

2.确定分析方法的。目前，CAE技术已成为工程制造业的主要支撑技术，对提高设计质量、降低研发成本起着重要作用；本文利用有限元分析软件进行分析研究。

二、有限元分析

车架作为整车的核心部分，承受着和传递着道路和装载的各种复杂载荷，并且汽车上许多重要的总成都是以车架为载体的，因此车架必须具有足够的强度和刚度。本文进行了建模工作，阐述了分析方法，并根据汽车的实际情况进行了深入的分析，从而对确定汽车车架的设计质量，起到一定的作用。

1.建立有限元模型。为了对车架进行有限元分析，首先要建立车架的有限元模型。利用CAE软件对车架及其主要附件进行三维结构建模。它必须代表实际车辆的结构特性，如梁部件的测量和受力特性，以底盘及其附件的质量为重心，利用重心位置进行模拟，在不影响分析结果精度的情况下，根据实际情况简化车架模型，以提高网格划分质量和计算效率。为以后的分析工作奠定了基础。对于轮胎和车架路面边界，通常采用刚性对轮胎进行建模，以明确轮胎的受力束缚性，钢板弹簧由两个不同刚度的弹簧单元模拟，由不同界面的梁单元连接，使不同的钢板逐渐形成一个完整的系统。

2.施加载荷与约束。在日常行驶中，特别是在复杂的道路条件下，车辆荷载通常会发生变化，如在不同工况下（如满载、扭转、弯曲等工况），会出现侧向与纵向荷载的变化，因此车架会形成侧向与纵向荷载，设计中应考虑的因素之一是约束主要是指从地面传给车架的力的不同性质，以及在不同条件下产生这些力的特殊条件。前后悬与车架的连接位置限制，对车架本身形成一定的约束力。

3.工况选择。在选择工况状态时，静载荷分析有四种不同的情况：一是车辆满载静止，二是车辆右转或满载静止。第三工况是车辆处于扭转状态，即满载状态；第四工况是车辆在满载静态制动过程中受到制动速度和垂直加速度的限制。

4.分析结果。结合相关软件，计算出车架的静态安全系数，并与上述四种不同工况下的材料安全系数进行比较，从而有效确定车架在特定工况下的安全系数。在某些情况下，车辆处于安全状态：在第一种状态下，车辆处于安全状态在垂直方向冲击和各种压力作用下，车架通常会有不同程度的弯曲，因此静态安全系数的取值也会发生变化。分析表明，梁的最小静态安全系数为1.007。它大于材料本身的安全系数，所以在这种情况下，车架受到垂直冲击时，是安全可靠的，能够保证车辆的平稳运行。第二种工况也就是说，当车架满载时，应同时进行转向。此时应考虑侧向加速度对结构本身强度的影响和车架静态安全系数的变化，梁的最小静安全系数为2.135，高于材料本身的静安全系数。当车辆处于转弯状态时，整个结构安全可靠。第三种工况时，车辆的左前轮和右后轮各为0.15米的抬升。在这种情况下，车架的扭转和弯曲应力相对较高，因此车架本身的静态安全系数也会降低。经分析，纵向梁的最小静安全系数为0.444。这低于材料本身的安全系数。因此，车架扭转时，不可靠的。当车辆处于第四工作状态时，应考虑制动速度对车架的影响，并分析相应的静态安全系数值。分析结果表明，纵梁的最小静安全系数为1.91。这高于材料本身的安全系数，所以当车辆处于这种状态时，是安全可靠的。

近年来，我国经济社会发展的空前步伐和人民生活质量的提高，也促进了汽车工业的发展和道路车辆数量的增加。车辆的使用寿命和安全性已成为关键。在汽车系统中，车架是主要的支撑结构。因此，相关设计人员应注意车架设计的效率和有效性，并利用相关软件对不同工况进行深入分析。汽车车架CAE技术有助于提高汽车安全系数的可靠性和稳定性。随着CAE技术的不断发展和完善，CAE技术将在形态结构上取得突破。阐述CAE技术在汽车发展中日益重要的作用。