【導(dǎo)讀】進(jìn)車(chē)型都要評(píng)估考核底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此底盤(pán)供應(yīng)商必須在。明確整車(chē)廠商的模塊要求前提下，具備短期內(nèi)考核零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)主要采用計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的手段。其次，利用大型的有限元軟件建立了以板殼單元為。況下的靜力學(xué)計(jì)算,得到了副車(chē)架的強(qiáng)度分布規(guī)律。究性質(zhì)的靜應(yīng)變臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了有限元模型。件進(jìn)行副車(chē)架的有限元模態(tài)分析，獲得與臺(tái)架試驗(yàn)相吻合的結(jié)果。業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用水平。高了企業(yè)自主開(kāi)發(fā)能力邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

　　

【正文】 理，只需輸入車(chē)架的幾何形狀和材料特征，再加上適當(dāng)?shù)妮d荷約束，即可模擬一定的實(shí)際工況，并且使有限元分析精度大為提高，由過(guò)去的定性或半定量的分析過(guò)渡到定量階段，因此基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測(cè)工具和設(shè)計(jì)工具。作為強(qiáng)度預(yù)測(cè)工具它可以進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)、減輕重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)；作為一種詳細(xì)設(shè)計(jì)工具它可以全部或部分替代零部件設(shè)計(jì)中樣件的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，縮短開(kāi)發(fā)周期。 利用殼單元對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，其不足之處就是計(jì)算量較利用梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散大為增加，至少在百倍以上。但隨著計(jì)算硬件和有限元通用分析軟件的發(fā)展，現(xiàn)在已可以在普通計(jì)算機(jī)上進(jìn)行復(fù)雜模型的大規(guī)模計(jì)算，這為利用殼單元進(jìn)行底盤(pán)零部件強(qiáng)度分析提供了有利的前提條件。 某副車(chē)架是大型的沖壓焊接件，其板材厚度為 ，大大小于副車(chē)架的長(zhǎng)寬尺寸。很適宜采用板殼單元進(jìn)行離散。 綜上所述，本文采用板殼單元對(duì)副車(chē)架結(jié) 構(gòu)進(jìn)行離散。 矩形板單元簡(jiǎn)介 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 39 有限元分析中板殼單元的特性分析是基于薄板彎曲理論的。圖 是薄板單元示意圖： 圖 矩形板單元及單位坐標(biāo)系 設(shè) 2a 為板面內(nèi)的最小尺寸，一般當(dāng)板厚 t 小于等于 2a/5 時(shí)，稱(chēng)為薄板。若薄板受到平行于板面且沿板厚均勻分布的載荷作用時(shí)，屬于平面應(yīng)力問(wèn)題；若薄板受到垂直于板面的橫向載荷作用時(shí)，就是薄板彎曲問(wèn)題。當(dāng)薄板在垂直于中面的載荷下，中面上有一點(diǎn)沿其法線(xiàn)方向產(chǎn)生撓度 ? ，在彈性范圍內(nèi)中面變形成為曲面，稱(chēng) 其為彈性曲面。彈性曲面產(chǎn)生伴隨有扭曲變形的雙向彎曲變形，從而板的任一橫截面上產(chǎn)生剪力、彎矩和扭矩。 分析薄板彎曲問(wèn)題時(shí)，常提出一些假設(shè)來(lái)使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化，這些假設(shè)主要有： (1)直法線(xiàn)假設(shè)，中面法線(xiàn)在薄板變形后仍垂直于彈性曲面： (2)薄板彎曲后，假設(shè)中面內(nèi)各點(diǎn)沒(méi)有平行于板面的移動(dòng)，也即假設(shè)中面是一個(gè)只發(fā)生彎曲變形而不發(fā)生伸縮的中性層； (3)假設(shè)薄板中垂直于中面的正應(yīng)力和正應(yīng)變均忽略不記，也即假設(shè)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 40 在平行于中面的各平面之間無(wú)擠壓作用和板厚不變； 如圖 所示，取單元面的形心為單元局部坐標(biāo)的原點(diǎn)，以其對(duì)稱(chēng) 軸作為 x 和 y 軸， z 軸垂直于中面。節(jié)點(diǎn)取在四個(gè)角點(diǎn)上。單元節(jié)點(diǎn)的局部編號(hào)從左下角開(kāi)始，逆時(shí)針順序?yàn)?i、 j、 m、 p。單元邊長(zhǎng)為 2a 和 2b，厚度為 t。 為了使薄板的離散體系能較好地反映真實(shí)的變形情況，相鄰單元在公共節(jié)點(diǎn)處除了應(yīng)有相同的撓度外，還應(yīng)有沿 x 及 y 向斜率（傾角 ） 的連續(xù)性。因此，在任一節(jié)點(diǎn) i 處有三個(gè)節(jié)點(diǎn)分量 :撓度 i? 、法線(xiàn)繞 x 軸和 y 軸的轉(zhuǎn)角 xi? 和 yi? 。于是一個(gè)單元就有 12 個(gè)自由度，如圖 和圖 所示。板單元中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被視為剛節(jié)點(diǎn)，不但可以傳遞力，而且還可以傳遞力偶矩。因此，在任一節(jié)點(diǎn) i 處的節(jié)點(diǎn)力分量為三個(gè)：沿 z 向的力 Zi、繞 x 軸和 y 軸的力矩 Mxi和 Myi。因此，一個(gè)單元就有 12 個(gè)節(jié)點(diǎn)力分量，如圖 所示。在圖 中采用雙箭頭表示各節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角和力矩矢量的正方向。 圖 節(jié)點(diǎn)位移 圖 節(jié)點(diǎn)載荷 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 41 靜應(yīng)力有限元分析 數(shù)據(jù)前處理 按 軟件的前處理流程完成有限元模型建 立、載荷施加、材料定義及邊界約束工作。 (1)數(shù)據(jù)輸入 副車(chē)架的幾何模型在 CATIA 環(huán)境里生成，從幾何模型上抽取中面，以 PARASOLID 數(shù)據(jù)格式輸出，由 Patran 直接讀入。圖 為某副車(chē)架的三維模型。 圖 副車(chē)架三維模型 為盡量模擬實(shí)際的使用工況，獲得最佳的仿真結(jié)果，將搖臂模型一起導(dǎo)入到 Patran，與副車(chē)架一起建立有限元模型。 (2)建立有限元模型 采用殼單元對(duì)副車(chē)架進(jìn)行離散。 由于三角形單元的剛度比四變形單元略大，相對(duì)三節(jié)點(diǎn)三角形單元， 優(yōu)先選擇四邊形四節(jié)點(diǎn)單元 [7]。 具體 劃分單元時(shí)主要注意以下幾點(diǎn)： (1)單元?jiǎng)澐謶?yīng)盡量避免畸形。對(duì)于三角形單元，不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)大的鈍角或過(guò)小的銳角；對(duì)于四邊形單元，長(zhǎng)度和寬度不能相差太大，否則將引上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 42 起結(jié)構(gòu)剛度矩陣病態(tài)，影響計(jì)算精度。 (2)單元?jiǎng)澐忠m度，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力比較大的部位，單元的網(wǎng)格盡量密一些，對(duì)于受力比較平緩的部位，單元?jiǎng)澐挚纱笮?。為了不使單元邊長(zhǎng)相差太大，則單元應(yīng)由小到大逐漸過(guò)渡。 (3)節(jié)點(diǎn)及單元的數(shù)目確定要適當(dāng)。單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)，節(jié)點(diǎn)布置得越多，計(jì)算精度越高。但隨之而來(lái)的是計(jì)算時(shí)間，計(jì)算費(fèi)用和計(jì)算內(nèi)存的增加，所以要綜合考慮各因素來(lái)確定 單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在滿(mǎn)足工程精度的前提下，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)盡量少。 采用 MSC/PATRAN 對(duì)帶搖臂的副車(chē)架總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元采用四邊形，焊縫模擬采用 RB2 約束， RB2 施加在單元格節(jié)點(diǎn)上，長(zhǎng)度與實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度相符。橡膠襯套采用實(shí)體單元。圖 為副車(chē)架有限元模型。 圖 副車(chē)架有限元模型 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 43 (4)材料定義 鋼板參數(shù)：彈性模量 ，泊松比 。 襯套參數(shù)：考慮到襯套在受力時(shí)所產(chǎn)生的大變形對(duì)副車(chē)架的應(yīng)力分布有一定的影響，因此用相對(duì)彈性模量較小的彈性材料來(lái)模擬橡 膠襯套，如圖 所示。約束采用了固定內(nèi)筒的方式，在有限元模型中將內(nèi)筒塊單元內(nèi)部表面節(jié)點(diǎn) 3 個(gè)自由度全部約束。 圖 橡膠襯套有限元模型 (5)邊界約束條件確定 模擬臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)副車(chē)架的裝配和約束，控制臂相對(duì)于副車(chē)架上下擺動(dòng)，故在控制臂球鉸處施加垂直位移約束。副車(chē)架與車(chē)身連接的 4 個(gè)襯套處施加約束，約束施加于橡膠襯套中心孔表面。 (6)載荷施加 施加載荷為制動(dòng) /加速載荷，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范，載荷大小為制動(dòng)力，與整車(chē)行駛方向相反，加速力為 ，與整車(chē)行駛方向相同。由于球頭處 只傳遞力而不傳遞力矩，載荷施加在球頭處。 結(jié)論：結(jié)合曲線(xiàn)所表達(dá)的物理意義與前副車(chē)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總體而言，前副車(chē)架前后橡膠襯套軸線(xiàn)同向?yàn)?X 軸時(shí)操穩(wěn)性較好，舒適性差；前副車(chē)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 44 架前后橡膠襯套軸線(xiàn)互相垂直時(shí)舒適性較好，操穩(wěn)性差。這可以從整車(chē)設(shè)計(jì)理念和實(shí)際車(chē)輛性能看出，產(chǎn)品的操穩(wěn)性較好但舒適性略差的原因應(yīng)該是大多采用前后橡膠襯套軸線(xiàn)同向?yàn)?X 軸的前副車(chē)架，一般較低價(jià)位的車(chē)(Tcar、 Lcar)盡量追求舒適性而不必花較高成本提高操穩(wěn)性，于是就采用前后橡膠襯套軸線(xiàn)互相垂直的前副車(chē)架，不僅重量輕、焊接變形小、開(kāi)發(fā)成本也較低 速度快（上下片通用、左右焊接件通用）。當(dāng)然也不是絕對(duì)地，極個(gè)別情況有時(shí)可能正好相反，這就要結(jié)合其他情況進(jìn)行綜合匹配。 上述計(jì)算分析僅從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，更深入的研究有待按相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證。 疲勞分析在前副車(chē)架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 對(duì)疲勞的概念性理解 疲勞破壞的過(guò)程是．零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部最高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和瞬斷 3 個(gè)階段。從微觀的角度看，室溫下工作的零件和構(gòu)件的疲勞破壞，裂紋 常發(fā)生在亞表面，即從大晶粒處穿晶斷裂，形成亞微觀的疲勞裂紋，然后沿切應(yīng)力方向穿透幾個(gè)晶粒，再沿與拉應(yīng)力垂直的方向繼續(xù)擴(kuò)展，逐漸形成宏觀裂紋。從宏觀的角度看，當(dāng)循環(huán)加載的應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，當(dāng)應(yīng)力水平逐漸提高，塑性應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，塑性應(yīng)變的作用成為逐漸形成疲勞破壞的主導(dǎo)因素，使應(yīng)力 — 壽命 (δ — N)曲線(xiàn)隨應(yīng)力水平的提高趨于平坦 (圖)，這時(shí)用應(yīng)力很難描述實(shí)際壽命的變化，塑性應(yīng)變占主要作用如 (圖 b)所示，從彈性應(yīng)變?yōu)橹鬟^(guò)渡到塑性應(yīng)變?yōu)橹鲿r(shí)，必然形成一個(gè)過(guò)渡上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 45 壽命點(diǎn)，如 (圖 )所 示，過(guò)渡壽命點(diǎn) P 的右側(cè)，表示低應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是彈性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域，過(guò)渡壽命點(diǎn) P 的左側(cè)，表示高應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是塑性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域。根據(jù)試驗(yàn)時(shí)循環(huán)數(shù)的高低，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。在不同的工作環(huán)境下，疲勞還可以分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞和隨機(jī)疲勞等。 圖 圖 舉例說(shuō)明疲勞分析的基本步驟和要點(diǎn) (1) 選擇分析用的例子。 該前副車(chē)架為上下沖片焊接而成 ，只有前安裝點(diǎn)內(nèi)彎處斷面結(jié)構(gòu)有緩急不同而形成兩種方案以供計(jì)算比較。焊接本體以橡膠襯套和球絞與其它部件相連，疲勞試驗(yàn)要求考察前副車(chē)架的疲勞裂紋破壞情況。由于焊接及橡膠襯套等復(fù)雜因素，我們考慮采用名義應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命，即 MSC／FATIGUE 中的 SN 方法，由于疲勞壽命在 105的量級(jí)上，材料采用ε N 曲線(xiàn)，平均應(yīng)力修正采用古德曼公式。 (2) 疲勞分析步驟及相關(guān)要點(diǎn)。 建立有限元分析模型：利用 UG 或 CATIA 建立 3D 模型轉(zhuǎn)換為 STP 格式后抽取中性面，采用片體劃分成四邊形網(wǎng)格，四邊形網(wǎng)格邊長(zhǎng) 5mm；加入上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 46 材料屬性 ：彈性模量 105N／ mm，泊松比 并輸入材料厚度；施加約束：包括根據(jù)結(jié)構(gòu)確定前副車(chē)架 3 個(gè)安裝點(diǎn)需要約束的自由度并輸入制動(dòng)或啟動(dòng)工況下的載荷，此載荷由整車(chē)廠提供，同時(shí)設(shè)定好橡膠襯套的彈簧元參數(shù)；先進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析；再進(jìn)行疲勞分析；最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 圖 前副車(chē)架幾何模型 圖 前副車(chē)架有限元模型 圖 前懸架幾何模型 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 47 圖 前副車(chē)架應(yīng)力云圖 圖 前橫向穩(wěn)定桿應(yīng)力云圖 比較上述分析，對(duì)于前副車(chē)架，從應(yīng) 力分析上看，主要有 3 塊應(yīng)力集中區(qū)，除去簡(jiǎn)化的原因，應(yīng)力分布還是比較均勻的，從數(shù)值上看在 491MPa上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 48 以下。 無(wú)論從靜應(yīng)力有限元分析還是從疲勞強(qiáng)度分析都可以看出前副車(chē)架的設(shè)計(jì)很好，主要得益于相應(yīng)的段面過(guò)渡較緩。這是我們最初的設(shè)計(jì)，事實(shí)上幾乎所有類(lèi)似的前副車(chē)架，該處斷面都應(yīng)有緩沖變化，變化太急容易出現(xiàn)沖壓和焊接的應(yīng)力集中。 疲勞分析與試驗(yàn)評(píng)價(jià)。 通過(guò)以上分析并與試驗(yàn)，及時(shí)修正了設(shè)計(jì)和工裝，從而避免了較大的損失。從中我們?nèi)〉昧艘韵陆?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：在零件的截面幾何形狀突然變化處，容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中的 部分，基本上是疲勞容易發(fā)生破壞的地方，其它諸如邊界曲線(xiàn)的曲率、箱體高度的選擇、沖壓截面轉(zhuǎn)彎半徑等結(jié)構(gòu)都可能有影響，需要進(jìn)一步積累專(zhuān)家?guī)?；由于?shí)車(chē)載荷的不對(duì)稱(chēng)．計(jì)算和實(shí)驗(yàn)時(shí)多采用正負(fù)對(duì)稱(chēng)載荷容易形成誤差；焊接和尺寸公差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，但仿真計(jì)算時(shí)難以全面合理處理；適當(dāng)調(diào)整使用材質(zhì)或者局部采用強(qiáng)化硬化工藝有利于提高疲勞強(qiáng)度。 安裝尺寸精度對(duì)懸架性能的影響及分析計(jì)算實(shí)例 使用 ADAMS 分析尺寸精度對(duì)整車(chē)性能影響的必要性。 本例將麥弗遜式獨(dú)立懸架在 ADAMS 環(huán)境下建立彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型后， 分析懸架內(nèi)各零部件安裝尺寸誤差及其與車(chē)身各安裝點(diǎn)在整車(chē)座標(biāo)各個(gè)方向的尺寸誤差對(duì)整車(chē)性能的影響，從而提出需要重點(diǎn)進(jìn)行誤差控制的點(diǎn)及控制方向。 可簡(jiǎn)化為桿系機(jī)構(gòu)的懸架系統(tǒng)普遍存在公差分配和公差合理系統(tǒng)控制的問(wèn)題，由于懸架各安裝點(diǎn)形成了空間架構(gòu)，要想簡(jiǎn)單地分配公差并滿(mǎn)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 49 足整車(chē)要求進(jìn)行有效控制比較困難。如能借助具備專(zhuān)家系統(tǒng)功能的 ADAMS進(jìn)行分析，然后確定出重點(diǎn)控制部位和方向，可以大大提高公差分配和控制的合理性有效性。 建立懸架計(jì)算控制模型 圖 懸架計(jì)算控制模型 如圖 所示， 1 為減震器、 2 為轉(zhuǎn)向立柱、 3 為前副車(chē)架、 4 為轉(zhuǎn)向拉桿、 5 為轉(zhuǎn)向機(jī)； A 為減震器上支點(diǎn)系球鉸鏈約束、 B 為減震器活塞系滑動(dòng)約束、 C 為轉(zhuǎn)向立柱與前副車(chē)架連接的球鉸鏈約束、 D 為轉(zhuǎn)向立柱與轉(zhuǎn)向拉桿連接的球鉸鏈約束、 E 為轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)活塞滑動(dòng)約束、 FG 為前副車(chē)架帶 BUSH 前后固定安裝點(diǎn)、 H 為驅(qū)動(dòng)軸花鍵系轉(zhuǎn)動(dòng)副、 I 為轉(zhuǎn)向接球頭、 K為轉(zhuǎn)向機(jī)與副車(chē)架間稍可滑動(dòng)的固定約束；這些點(diǎn)通過(guò)座標(biāo)輸入后即可建立起來(lái)計(jì)算模型。之后試運(yùn)行該模型，從而得出整車(chē)前束和外傾隨車(chē)輪跳動(dòng)的典型曲線(xiàn)如下圖 5－ 15，這說(shuō)明所建計(jì)算模型可行。 I 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SH59轎車(chē)前副車(chē)架設(shè)計(jì) 50 圖 G 點(diǎn) Z 方向 0偏差和177。 的性能比較