某越野車其前懸架為扭桿式雙橫臂獨(dú)立懸架，后橋是四連桿可變剛度螺旋彈簧整體橋式，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在保證越野能力的同時(shí)提供令人滿意的行駛舒適性；但該車在實(shí)車試驗(yàn)過程中，車架縱梁在與扭桿彈簧連接的支架處易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整車的使用壽命和駕駛員的安全。

    文獻(xiàn)[1]對(duì)汽車底盤的有限元模型進(jìn)行了更新，但是未涉及更新的原因和必要性；文獻(xiàn)[2]對(duì)摩托車車架有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論方法進(jìn)行了研究，但是未得到驗(yàn)證和實(shí)用；文獻(xiàn)[3]對(duì)雙橫臂扭桿式獨(dú)立懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析方法進(jìn)行了研究，未涉及有限元分析。

    本文擬基于Hyperworks軟件對(duì)該車架的單邊縱梁和扭桿彈簧連接的支架處的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，以找出開裂的原因所在，并對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)式改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 縱梁開裂有限元建模與分析

1．1模型的建立

    某越野車車架為雙縱梁結(jié)構(gòu)(見圖1)，從實(shí)際車架結(jié)構(gòu)到有限元分析模型，采取了適當(dāng)?shù)暮喕幚恚缏匀ツ丑浅休d構(gòu)件，取約束、載倚作用點(diǎn)處為單元節(jié)點(diǎn)等。

圖1雙縱粱結(jié)構(gòu)

    一般對(duì)汽車車架進(jìn)行有限元分析時(shí)，建立有限元模型大都采用粱單元模型，應(yīng)用該種模型可以得到較好的變形結(jié)果，但其應(yīng)力分析的能力卻是有限的；梁單元不能很好地描述較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)。也不能很好地反映橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，且忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變形，使采用梁單元模型對(duì)車架進(jìn)行有限元分析的結(jié)果比較粗糙。基于以上原因．為了提高分析計(jì)算精度，分析模型采用以shell單元為基本單元的有限元分析模型。根據(jù)陸風(fēng)X6汽車車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)經(jīng)過適當(dāng)簡化處理后，建立相應(yīng)的有限元分析模型。分析模型中單元網(wǎng)格的劃分及所采用單元的大小直接影響計(jì)算的精度。

    文中大部分單元采用80 mm X80 mm左右的矩形板單元，稱為一般單元；對(duì)特殊結(jié)構(gòu)，如連接部分、截面變化區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，采用20 mm X20 mm左右的矩形板單元，稱為細(xì)化單元；一般單元與細(xì)化單元之間采用三角形板單元連接，稱為過渡單元。根據(jù)以上單元?jiǎng)澐衷瓌t，在橫梁與縱梁接頭區(qū)域、截面變化區(qū)域，以及可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方采用細(xì)化單元，其他區(qū)域采用一般單元；一般單元與細(xì)化單元之間采用過渡單元連接。文中主要研究車架縱粱與扭桿彈簧連接的支架處的開裂原因，故利用Hyperworks軟件對(duì)該車架的單邊縱梁和扭桿彈簧連接的支架處的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，找出開裂的原因所在。整個(gè)模型被離散為7812個(gè)板單元，8227個(gè)結(jié)點(diǎn)，圖2所示為有限元分析模型，對(duì)車架的靜應(yīng)力分析就是在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

圖2有限元分析模型

1．2邊界條件載荷的簡化及加載方法

    對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析，必須考慮車架的約束情況。從而消除車架的剛體位移。由于本文主要是研究單邊縱梁和扭桿彈簧連接的支架處的強(qiáng)度問題，故邊界約束點(diǎn)確定在改車架縱梁上，將懸架與車架連接處的結(jié)點(diǎn)在水平面(z，y兩個(gè)方向)的兩個(gè)方向平移自由度確定為剛性約束，z方向的平移自由度確定為彈性約束．約束點(diǎn)的其余三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度都未加約束。

    將作用在車架上的外載荷簡化為等效載荷加到車架的相應(yīng)部位上。對(duì)于簡化后的縱梁和扭桿彈簧支架模型，載荷主要是地面對(duì)輪胎的反作用力通過扭桿彈簧前獨(dú)立懸架傳遞給支架。根據(jù)越野車前輪跳動(dòng)量，確定扭桿彈簧的扭轉(zhuǎn)角度，然后根據(jù)扭桿彈簧的剛度計(jì)算得到扭桿彈簧傳遞到支架處的作用力。作用力的方向?yàn)榇怪庇谂U彈簧的支架，方向向下，如圖3所示。

圖3扭桿彈簧支架受力圖