CAE技术在卡车降成本中的应用

作者孙国兵  

（东风汽车有限公司商用车技术中心  武汉  430056）

 

摘要：以某款现生产的卡车车架为研究对象，在保证减重后的车架性能不会有大变化的前提下。通过仿真技术对其进行减重设计。本文详细描述了各种减重方案在车架上的实施效果，为今后的车架降成本工作提供了参考。

关键词：CAE ;汽车；车架；优化；降成本

 

随着商用车市场竞争的日趋激烈，如何改进产品的质量，如何降低产品的生产成本，成了所有汽车生产企业考虑最多的问题。汽车产品技术降成本是通过分析产品在设计、制造、使用、维护和回收等各环节的成本组成情况，改进设计方案或优化加工工艺，从而达到技术降成本的目的。但是使用传统的样车试验方法来验证降成本设计方案，不仅成本大而且周期很长。然而，采用CAE技术分析各种减重方案对车架结构强度的影响，具有周期短，方案灵活和成本低等优势，越来越广泛地应用于汽车产品设计中。

本文采用有限元仿真软件HyperWorks，以某款现生产卡车车架为研究对象，对十一种减重方案进行对比分析，优化和评估各降成本设计方案。

1 车架有限元模型化

有限元分析的精度主要取决于有限元计算模型，模型必须如实反映车架结构的力学特性，所以模型化的基本原则是在硬件可以承受的情况下，尽量细分网格，使有限元模型尽量与车架几何模型一致。车架原设计方案的有限元模型如图1所示。

图 1  车架原设计方案的有限元模型

2 载荷

为了使仿真结果更加准确，我们考虑了作用于车架上的所有载荷（如表1所示）。车架自重由软件在输入材料密度后自动计算得出，车架材料为DL510，强度极限为590MPa。

表1 作用于车架上的主要载荷

主要总成	质量(Kg)	质心坐标（Z X Y）	方向	备注
蓄电池	145	（1630，-730，-200）	垂直向下
储气筒1（后贮）	50+10	（1150， 800，-250）	垂直向下
储气筒2（前贮）	20	(2450,-720,-200)	垂直向下
储气筒3（辅助）	16	(5300,0,-180)	垂直向下
油箱（满油）	400	（2050，800，-300）	垂直向下
发动机带变速箱	1200	（400，0，-50）	垂直向下
驾驶室	1100		垂直向下
牵引总质量	80000			在X=3300~4300之间均布
鞍载质量	2200		垂直向下	鞍座

3 载荷工况的确定

实践表明，弯曲工况和弯扭组合工况是车架的主要受力和变形模式，弯扭组合工况又

是其中最为恶劣的工况，为此本文主要考核弯扭组合工况下的应力和变形情况，以确保车架的强度和刚度满足设计要求。

    弯曲工况：模拟汽车满载行驶在平坦路面上的工况，约束前后车轮的竖直方向位移。

弯扭组合工况：模拟汽车满载通过凹凸不平路面时的弯扭强度，它反映车架结构的实际最大静态强度问题。此时，左前轮上凸台（高度60mm），右前轮下凹坑（深度60mm），约束后车轮的竖直方向位移。

另外，车架的振动是造成疲劳破坏的主要原因之一，而且现在乘坐舒适性的要求也越

来越高，所以有必要对车架结构进行模态分析。模态分析也能在一定程度上反映了车架结构刚度的分布情况，本文分析了车架的前5阶固有模态。

4 减重方案

综合考虑了各种可用的减重方案，共有如下十一种优化方案：

优化方案一：在原方案基础上去掉副梁。

优化方案二：在原方案基础上去掉副梁，纵梁加厚到10mm。

优化方案三：在原方案基础上将三角板减小减窄。

优化方案四：在原方案基础上将三角板减小减窄，加垫块。

优化方案五：在原方案基础上取消副梁，三角板减小减窄，加垫块，纵梁加厚到10mm。

优化方案六：在原方案基础上取消副梁，三角板减小减窄，加垫块，纵梁厚度不变。

优化方案七：在原方案基础上三角板减小减窄，加垫块，留部分副梁。

优化方案八：在原方案基础上三角板减小减窄，三角板局部加强。

优化方案九：在原方案基础上三角板减小减窄，加垫块，留部分副梁，三角板局部加强。

优化方案十：在原方案基础上三角板减小减窄，留部分副梁，三角板局部加强。

优化方案十一：在原方案基础上三角板减小减窄，三角板局部加强，纵梁折弯部分加部分副梁加强，后桥处纵梁下翼面加加强板。

5分析结果

由于各种工况下的应力云图相似，本文在此仅列出其中一种方案的应力分布图，图2至图3是原车架重点部位的Von Mises应力云图。各方案的应力结果如表2所示。

 

图2  原车架角板处Von Mises应力云图  单位：MPa

 

图3  原车架平衡悬架横梁处Von Mises应力云图 单位：MPa

 

表2   CAE分析结果

方    案	车架变形（mm）	角板Von Mises应力（MPa）	平衡悬架横梁Von Mises应力（MPa）	重  量 （Kg）	减重效果 （％）
原 车 架	105	586	536	1801	0.0
优化方案一	113	620	548	1623	9.88％
优化方案二	105	576	509	1716	4.72％
优化方案三	105	609	580	1715	4.78％
优化方案四	105	636	508	1722	4.39％
优化方案五	107	621	491	1636	9.16％
优化方案六	115	678	531	1543	14.3％
优化方案七	103	630	528	1647	8.55％
优化方案八	116	626	551	1543	14.3％
优化方案九	103	588	492	1652	8.27％
优化方案十	103	564	540	1647	8.55％
优化方案十一	104	617	578	1583	12.1％

表2中的方案九，三角板处的应力与原车架相同，但是平衡悬架横梁上的应力比原车架降低8.2％；因此上述各方案中，最优方案是方案九。除了方案九以外，方案二和方案十的三角板和平衡悬架横梁上的应力也都比原车架小，满足设计要求，但是减重效果要比方案九差，因此，方案二和方案十是本文中的较优设计方案。

6模态分析

将方案九的设计思路应用到新设计的车架上（即T08车架），其前5阶模态如表3所示。

表3  新型减重车的前5阶模态计算结果

模 态 数	一  阶	二  阶	三  阶	四  阶	五  阶
振    型	纵  扭	横  弯	局  部	横  弯	弯扭组合
频率（Hz）	9.5508	13.6064	24.4130	28.4795	30.5113

7分析结论

通过前面分析，可得出如下结论：

（1） 经过减重后，新车的整车刚度较强，强度分布比原车型更合理，同时重量比原车减少149Kg，减重达8.27％。

（2） 通过以上对各种减重方案的分析，为今后减重车的设计提供了方向和指导。设计人员可以根据以上的减重效果和实际需要所达成的减重目标，合理选择减重方案，以达到优化设计的目的。

（3） T08车架已经投产，经过用户使用试验，完全符合要求。

 

作者简介：

孙国兵. 2002年毕业于湖南大学工程力学系工程软件专业，2002年进入东风汽车有限公司东风商用车技术中心工作.现岗位为：底盘部底盘设计室结构仿真责任工程师。

地址：武汉经济技术开发区东风大道。

文章来源于中国CAE年会第六届论文集，转载请注明出处。