某越野車懸架安裝梁強度分析及優化

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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。

所以在設計開發初期,結合先進的CAE仿真分析技術,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品設計,進而縮短開發周期和降低開發費用。

本文以某款越野車懸架安裝梁總成為例,系統介紹了有限元建模、工況定義、仿真分析的過程,基于初次強度仿真分析結果,對安裝梁的原方案進行優化結構,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

懸架安裝梁總成結構較為復雜,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鍵件,對該總成進行網格細化。發動機、變速器、主副油箱、冷卻系統及傳動軸等與實際設計質量相符,各總成通過質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:靜態穩定工況、垂直跳動工況、驅動垂直跳動工況、制動工況、驅動轉向工況及轉向工況。在有限元分析的過程中,懸架安裝硬點載荷依據以上六工況,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,應用OptiStruct求解器進行求解。

4 結果分析

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

通過應力云圖可以看出,垂直跳動工況,驅動垂直跳動工況最大應力位置均出現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化,以滿足強度使用要求。

5 原因分析

中后懸架原設計方案為,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,導致在垂直沖擊或驅動垂直沖擊等受力較大的工況中,最大應力均集中在連接板上,故需對該懸架設計方案或連接板方案進行優化,以提升強度性能。對安裝梁末端應力集中現象主要因為末端與車身為斷開結構,車身未承擔部分懸架載荷所致。

6 優化方案

基于原方案的強度分析結果,對車身及懸架安裝梁結構進行優化,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構,內部設有螺栓套筒支撐,該方案相比原方案優點在于:(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構。其優化方案如圖6所示。