基于动力学与有限元技术的副车架强度分析 吴学华

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基于动力学与有限元技术的副车架强度分析
Subframe Strength Analysis Based on the
Muti-body Dynamics and Finite Element Method
吴学华
摘要：本文针对某改进车型的副车架在可靠性试验中出现破坏的现象，通过建立动力学模型计算副车架几种典型工况载荷受力情况，与有限元分析相结合，进行了副车架的结构强度分析，为副车架结构改进提供一定的依据。
关键词：副车架 多体动力学 Adams/view Nastran 结构强度
Abstract: Based on the muti-body Dynamics and Finite Element Method, the paper is analysed the strength of the subframe was cracked during the reliability test. According to the analysis, we can provide some advice to improve the structure of the subframe.
Key words: subframe, adams/view, Nastran，strength
1        前言
副车架可以看成是前后桥的骨架，是前后车桥的组成部分。副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬挂的支架，使车桥、悬挂通过它再与“正车架”相连，习惯上称为“副架”。副车架的作用是隔断振动和噪声，减少其直接进入车厢，所以大多出现在豪华的轿车和越野车上。副车架通常作为发动机、变速箱的支承构件，由于受力复杂，所以其有限元分析常常借助动力学分析来获得载荷边界条件。
本文将采用MSC公司的Adams/view、Nastran等系列软件,借助建立动力学模型来计算副车架的各点载荷受力，应用惯性释放方法来进行副车架强度分析。
2        副车架强度分析问题的提出
某款改进车型在原车型基础上进行了动力系统的改制工作，更换了一款发动机后，可靠性样车在跑坏路试验中，在5000多公里时副车架出现几处开裂，部位在与下摆臂连接的支架周围，见如下图一和图二；新发动机比原来发动机的质量和动力性都增大，由于没有进行实际道路载荷谱的采集，故没有进行疲劳分析，只分析了该副车架的强度。
         
图1 副车架开裂图片
3有限元模型的建立
    副车架模型分为主体和支架两部分，均为薄壁类零件全部简化为壳单元，螺栓连接、焊接单元采用rb2，模型中长度单位为毫米，力单位为毫牛，重力加速度取9.8m/s2。副车架有限元模型如图2所示。      

图2副车架有限元模型
4 动力学计算工况载荷
此悬架结构为带扭杆的独立悬架结构，建立如图3的刚柔耦合前悬架动力学模型。模型包括上、下控制臂、减震器、扭杆、副车架、横向稳定杆、发动机动力总成等。副车架采用柔性体，是由NASTRAN软件计算提供的模态中性文件MNF文件。通过在轴头位置输入各向力来计算各工况载荷。分析副车架的静强度主要分析静态弯曲工况、转弯工况及制动工况等几种工况；考虑发动机功率扭矩变化对发动机悬置的影响，特计算了发动机1档输出最大扭矩工况，计算出悬置受力。在后面的工况分析中还建立了简单的发动机悬置动力学模型，施加发动机输出力矩，如图4所示。


图3  前悬架动力学模型              

        图4  发动机悬置动力学模型
5 应力分析结果
将动力学模型计算的各工况载荷，加载到有限元模型中，在Nastran软件下利用惯性释放方法计算副车架的应力情况。部分工况的应力结果如图。



图5 副车架应力分析结果
根据应力计算结果向设计部门提出改进材料、增加焊缝、检查焊缝质量等建议，产品改进后在后来的可靠性试验上未再发生破坏现象。
6.结论
通过建立包含有副车架刚柔耦合的动力学模型，进行各种典型工况的动力学分析，为计算分析副车架的结构强度提供边界载荷，再根据有限元分析计算出副车架结构强度应力分布情况，为产品设计人员提出改进方案，优化产品结构提供一定的参考依据，并取得良好的效果。另外在产品开发或改制初期就运用动力学与有限元方法对产品结构进行强度分析，可使结构设计更加合理，缩短产品的开发周期，降低生产成本。

参考文献：
1.        副车架性能方针及CAE在产品研发中的作用 刘立萍 msc2007年会
2.        虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践，西北工业大学出版社，2002
3.        MSC Nastran manual
----本文选自2010年msc公司论文集