CAE技术在汽车车架设计中的应用

张丙鑫　尹丽　杜慧君

摘 要：在汽车的整体结构中，汽车车架扮演着重要的载体的角色，承载着多种不同的载荷，这直接影响着整个车辆未来的使用寿命以及用车的安全性。在对车辆进行设计的过程中，需要深入分析车架的整体强度。借助CAE软件就汽车的车架零部件进行搭建，结合CAD的模型开展有限元的建模工作，同时对具体的工况进行了介绍分析，旨在为优化汽车的车架设计工作提供一定的参考。

关键词：CAE技术 汽车车架 设计 应用

Application of CAE Technology in Automobile Frame Design

Zhang Bingxin Yin Li Du Huijun

Abstract：In the overall structure of the car， the car frame plays an important role in the carrier， bearing a variety of different loads， which directly affects the future service life of the whole vehicle and the safety of the car. In the process of vehicle design， it is necessary to analyze the overall strength of the frame. With the help of CAE software， the parts of automobile frame are built， and the finite element modeling is carried out with the CAD model. At the same time， the specific working conditions are introduced and analyzed， so as to provide certain reference for the optimization of automobile frame design.

Key words：CAE technology， automobile frame， design， application

1 引言

随着社会的发展，汽车的数量逐渐提升，汽车的车架在汽车整体结构中承担着重要角色，因此需要关注汽车车架设计的品质，这直接影响着汽车的使用寿命以及汽车行业未来的发展，因此相关的管理人员需要对其予以足够的重视，保证汽车质量，为汽车行业的健康发展提供保障。

2 概述

从本质上来讲，商务类型的用车指的是在技术以及设计特征上都符合人员与货物运用特征的汽车，主要涵盖着火车与客车两种不同的类型。基于用途的差异，商务车有涵盖着自卸车与牵引车两类。在商用类型的火车系统中，车架始终扮演着重要的角色，对汽车起着支撑以及连接的作用，与此同时，车架也是对不同类型的车内外载荷进行承载的主要载体。所以，在对车架进行设计工作时，不仅需要对汽车整体的布置要求进行满足，也需要表现出足够数值的轻度以及刚性，为汽车体系能够正常运转奠定基础。本文主要借助相关的软件就商用类型货车的牵引型车架展开力学分析，同时对车架自身的力學特点展开了了解，对汽车车架强度与标准要求是否相符进行了明确。

3 车架构成与分析方法

3.1 车架构成

牵引性质的车架的主体架构表现为边梁式，涵盖着两根纵向的梁以及若干个不同的横向的梁，纵向梁的断面通常呈现出箱型的结构，第一横梁表现为管状的结构，横梁的两侧和纵梁之间借助螺栓进行连接操作，中间的两根横梁分别是压型的槽钢，结构的两侧和纵梁之间借助螺栓进行连接，处于平衡轴位置的衡量主要是采用压型的槽钢结构，与纵梁的连接处借助加强版对其进行较强。平衡轴下面的连接座和纵梁的下翼这一平面借助螺栓进行连接，尾梁表现为整体的箱式结构，同时和纵梁借助铆钉进行连接，在变速箱下方位置处的盆梁以及纵梁的下翼板借助螺栓进行连接，以上是商务类型用车的牵引车架的大致构成。

3.2 分析方法

近些年来，国内的信息科学技术发展速度空间，随着制造行业的快速发展，CAE 技术逐渐发展成为制造与工程行业的后备技术之一，其能够有效地对设计品质进行提升，同时控制研发与研究的成本，对开发产品的整体周期进行缩短，这为汽车行业未来的持续健康发展奠定了坚实基础，也是提升驾驶人员幸福感的有效途径。本文主要是借助有限元这一软件展开研究与分析的工作。

4 有限元分析

汽车是运输机械，在行驶工程中会受到来自各个方面的负荷作用。所以车架必须有足够的强度和刚度承受这些载荷。为了对汽车的车架结构设计稳定性与可靠性展开分析，本文首先展开了模型创建工作，同时对分析的方法予以明确，结合具体的汽车所处状态展开了深入的分析，从而明确汽车车架设计工作的品质，这对汽车使用品质起着至关重要的作用。

4.1 创建有限元模型

为了对汽车的车架进行有限元分析工作，首先就是需要对有限元的模型进行创建，首要步骤便是借助CAE软件设计车架与其主要附件的三维结构，在对车架模型进行创建的过程中，需要对实车的结构特征予以表现，对车架的纵梁、衡量与承载性质的零件展开模型创建的工作。在进行模型创建工作的过程中，将车架与其附件所承载的质量成为质心，借助质心的位置展开模拟的工作，同时在原有的有限元模型基础上进行了简化操作，为后续的分析工作奠定基础。除此之外，对于车架、轮胎与路面边界等位置，往往是借助刚性的单元来对轮胎进行模型，对轮胎所受到的束缚性进行明确，钢板的弹簧则是借助两根刚性存在差异的弹簧单元开展模拟的工作，借助界面存在差异的梁单元开展连接的工作，促使不同的板块逐渐形成一个完整的体系和系统。

4.2 对载荷与约束进行施加

汽车在日常行驶过程中，特别是遇到比较复杂的路况时，所承载的载荷往往是各种各样的，别如侧向位置的载荷与纵向位置的载荷等等。在不同性质的载荷作用之下，车架会出现扭转变形、弯曲变形等不同形式的变形，所以，也就会在车架上形成侧向与纵向的载荷，这是进行设计工作需要考量的因素。约束主要是指的是地面对车架所传导的不同性质的力以及不同状况下所产生的特定状况的限制。在本文当中，主要是借助约束前后悬与车架的连接位置对车架本身形成一定的约束力。车架载荷分布方式如图1所示。

4.3 工况选择

在对静载荷展开分析的过程中，主要是针对以下四种不同的工况，第一种工况是汽车处于满载静止的状态中，第二种工况是汽车处于满载的状态中同时向右进行转弯，合理明确侧向的加速度，第三种工况是汽车处于扭转状态中，也就是满载状态，第四种工况是汽车处于满载且静止的状态中，在其进行制动的过程中，汽车会受到制动减速度以及垂直方向加速度的限制。

4.4 分析结果

结合相关的软件，本文对以上四种不同工况状态下，汽车车架的静态安全因子数值进行了计算，同时与材料自身的安全系数数值展开了比对，从而有效确定汽车车架在某种具体车况下是否处于安全可靠的状态，具体如下：

当汽车处于第一种工况状态时，汽车会受到来自垂直方向的冲击，在不同类型的压力作用之下，车架往往会发生不同程度的弯曲，因此静态的安全因子数值也会出现一定的变化。分析可知，纵向梁的静态安全因子最小值是1.007，比材料本身对应的安全系数数值要打，所以，在这种状况下，车架受到垂直方向的冲击时，其是安全并且可靠的，能够为汽车的稳定运行提供保障。

当汽车处于第二种工况状态时，也就是车架处于满载的状态同时需要进行转弯的操作，此时需要对侧向的加速度对车架结构自身受力所产生的影响作用进行考量，也需要考虑车架静态安全因子数值的变化，由分析可知，纵向梁的静态安全因子的最小数值是2.135，比材料本身的安全系数数值要大，因此当汽车处于转弯状态中时，整体的结构是安全并且可靠的。

当汽车处于第三种工况状态时，汽车的左方前轮以及右后方的轮子都分别被抬升了0.15米。在这样的工况状态下，车架需要承载的扭转性以及弯曲性的应力数值相对较大，那么此工况下车架自身的静态安全因子数值会减少，由分析可知，纵向梁的静态安全因子的最小值是0.444，比材料本身的安全系数数值要小，因此车架在处于扭转的状态中时，表现得不可靠。

當汽车处于第四种工况状态时，需要对制动性的减速度对车架可能造成的影响进行考量，同时分析与之对应的静态安全因子的数值，由分析可以看出，纵向梁的静态安全因子的最小数值是1.091，比材料本身的安全系数要大，所以当汽车处于此种状态时，也是安全并且可靠的。

5 结束语

近些年来，国内的经济与社会发展速度空前，人们的生活品质不断提升，这也促使汽车行业的发展，道路上行驶的汽车数量不断增加，在这样的背景下，汽车的使用寿命与安全性就变得至关重要。在汽车系统中，车架属于主要的载体结构，因此相关的设计人员需要关注车架设计工作的合理性与有效性，借助相关的软件对不同的工况展开深入分析，从而明确汽车车架在不同工况下是否处于安全状态。CAE技术在汽车车架设计中的应用使得汽车的安全系数更加可靠和稳定。随着CAE技术的不断发展和完善，不久的将来汽车CAE技术将在形态、结构、功能等不同方面实现突破。彰显了CAE 技术在汽车研发过程中的作用日益重要。

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