倪志凯　杨珍　易飞

摘 要：针对某新开发商用车在疲劳耐久试验中车架纵梁前端开裂的现象，建立了以车架、驾驶室翻转机构为主体的有限元模型。通过仿真分析，确定车架纵梁开裂原因，并根据仿真结果，优化结构设计，并验证优化方案的可行性。

关键词：车架纵梁 开裂 有限元 优化

Analysis of Cracking Reason and Improvement Design of Frame Rail of a Commercial Vehicle

Ni Zhikai Yang Zhen Yi Fei

Abstract：In view of the phenomenon of frame rail crack in fatigue endurance test of a newly developed commercial vehicle， the paper sets up a finite element model with frame and cab turnover mechanism when the main body was established. Through the simulation analysis， the cracking reason of the frame rail is determined， and the structure is optimized according to the analysis result， and the feasibility of the scheme is verified.

Key words：frame rail，cracking，finite element，optimization

1 前言

車架作为车辆的承载机体，是重要的受力件。车辆上的大部分零部件，如动力总成、驾驶室、货箱、悬架等都与车架直接相连，在车辆行驶过程中，车架会承受来自地面各个方向的力和力矩。因此，车架必须有足够的刚度和强度，来保证车辆能正常行驶。

针对某商用车车架纵梁在使用过程中前端开裂的情况如图1所示，分析车架纵梁的失效模式和失效原因，并对结构重新设计，通过有限元对几种结构的对比分析，选择最合适的结构。

2 原结构失效原因分析

根据模型受力分析，驾驶室及乘员重力作用产生的扭矩作用在驾驶室前端的扭杆弹簧上，扭杆弹簧的固定端与车架纵梁上翼面通过螺栓连接，因此车架纵梁承受驾驶室及乘员重力形成的扭矩。根据对车架受力分析，初步判断为车架纵梁在单扭杆翻转机构的力矩作用下车架前端存在应力集中，同时在交变载荷作用下产生疲劳开裂。

3 车架有限元模型建立

为了验证车架纵梁开裂原因，建立了以车架、驾驶室翻转机构、前悬架为主体的有限元模型：

截取前端部分车架模型，采用壳单元离散，网格尺寸选择5mm，断裂位置细化网格;

驾驶室反转机构支座采用体单元离散，网格尺寸选择5mm;

螺栓与铆钉采用RBE2+BEAM+RBE2单元模拟;

接触位置采用connect接触对模拟，摩擦系数设置为0.15;

驾驶室和乘员质量采用REB2+MASS质量点单元模拟;

有限元模型如图2所示，模型节点总数1184882，单元总数796654。

4 分析结果及结构优化

模拟车辆使用过程中的垂直冲击工况，约束前悬架支座全部自由度。分析结果如图3：

车架纵梁圆角处最大应力460.6MPa，大于其材料510L屈服强度355MPa，不满足强度设计要求。在此分析基础上，优化结构设计，提出以下3种方案：

方案一：纵梁与横梁支架之间增加5mm垫板。

方案二：增加车架纵梁前端割缺面积。

方案三：更改驾驶室支座，支座与车架纵梁翼面、腹面均采用螺栓连接，车架不割缺（图4）。

采用同样的分析工况，结果如（图5）：

通过对三种方案分析，方案一和方案三满足强度设计要求，方案三的优化效果最好，推荐采纳该方案。

5 总结

针对车架纵梁前端开裂问题，采取了以下措施：

a）建立了以车架、驾驶室翻转机构为主体的有限元分析模型，通过分析查找出纵梁开裂的原因。

b）提出3种优化方案，并通过有限元分析3种方案的可行性，最后选择以方案一作为临时方案，方案三作为永久方案。

建立有限元模型，可以找出关键总成或结构产生问题的原因，并根据分析结果可以为结构改进提供有价值的建议。在车型开发时，有限元分析与设计开发同步推进，可有效避免一些不合理的结构造成的损失。