某轿车副车架焊接总成结构强度CAE分析

Z 左垂=2.5
2 9172.8(N)
(N)；
=11466 (N)
②制动时(纵向力最大)：
Z 左制=0.5m 制 G 前 (N) m 制—制动时前轮质量转移系数，
m 制=（b+ψ .hg）/b；
b—汽车质心至后轴距离，b=1447mm；
ψ —制动时的附着系数，ψ 取 0.7;
hg—汽车质心距地面高度，hg=550mm; m 制=(1447+0.7×550)/1447
表 3 整车厂副车架三种典型工况下的受力
工况
承载摇臂橡胶支承中心 力(x,y,z)N 扭矩(tx,ty,tz)N.m
导向摇臂橡胶支承中心
力(x,y,z)N
扭矩(tx,ty,tz)N.m
制动
310,7305,310
218,-40,-0.5
-6054,-6312,-301
117,-112,0.4
侧滑 左侧 -326,-3500,388
整个副车架焊接总成所承受的载荷可以考虑分为两个部分，一是发动机分配到副车 架焊接总成中 a、b、c、d 四处的载荷；二是通过承载摇臂和导向摇臂施加在副车架焊接总 成上的载荷，该部分载荷，整车厂没提供资料，本例由 MSC.ADAMS 解出；其它载荷可以忽 略不记。
2.1.2 发动机载荷的分配 根据整车厂提供的数据，发动机的载荷分配情况如下： F 发 a=143N; F 发 b=302N;
节点 23615
最小应力 MIN 1.27×10-11 MPa
节点 52836
图 10 制动工况 a 分析应力云图
2）侧滑工况 b 分析结果 最大应力 MAX 4.60×102 MPa 最小应力 MIN 3.88×10-12 MPa
节点 52160 节点 52836
图 11 侧滑工况 b 分析应力云图
4 结论和建议 从本项目三个不同工况有限元分析结果与整车厂提供的路试零部件破坏照片对比，零
部件的应力集中部位和路试破坏部位基本一致。 以上结果说明本项目的假定、简化、建模与分析方法基本正确。从本次 CAE 分析结果
和路试所反映出的结构薄弱部位的一致性，进一步说明了整车厂副车架焊接总成在结构设 计上存在着一定的不合理。我公司已据此向整车厂提出了对部分结构加强的建议。
（1）与照片 230121/06 的对比 图 13 与照片（编号 MIRA-230121/06）对比应力云图 图 14 照片 MIRA-230121/06
（2）与照片 230121/07 的对比 图 15 与照片（编号 MIRA-230121/07）对比应力云图 图 16 照片 MIRA-230121/07
承载摇臂和导向摇臂与副车架间的力的传递关系以 MPC 简化，作用点坐标为以下四点： p1 （11，-380.5，-20.6） p2 (337.9,-427.7,-19.4) p3 (11,380.5,-20.6) p4 (337.9,427.7,-19.4) 以制动、侧滑、垂直分别定义为三工况 a、b、c 进行分析。 对应各工况力的大小见表 3——整车厂副车架三种典型工况下的受力计算及结果。
（3）与照片 230121/08 的对比 图 17 与照片（编号 MIRA-230121/08）对比应力云图 图 18 照片 MIRA-230121/08
（4） 与照片 230121/09 的对比 图 19 与照片（编号 MIRA-230121/09）对比应力云图 图 20 照片 MIRA-230121/09
≈1.266 Z 左制=0.5×1.266×9172.8 （N）
≈5806 N
X 左制= Z 左制.ψ （N）
=5806×0.7 （N） ≈4064 N ③侧滑时(侧向力最大)：
Z 左侧=0.5 G 前（1+2ψ .hg/B） （N）
ψ —侧滑时路面附着系数，ψ 取 0.7； B—前轮轮距，B=1565mm; Z 左侧=0.5×9172.8×(1+2×0.7×550/1565)
发动机作用力三组: F 发 a=143N 作用于发动机支架安装孔边上 F 发 b=302N 作用于单个安装孔的孔边 F 发 c= F 发 d=200N 作用于两个相同分力安装孔的孔边
2.2.3 分析与结果:
本项目用 MSC/NASTRAN 解算器完成有限元分析
（1）制动工况 a 分析结果
最大应力 MAX 7.67×102 MPa
本例整车厂没有提供副车架焊接总成的载荷条件,因此采用由 MSC.ADAMS 构建该车前 悬架模型,计算出各关节点的六分力,再建立有限元模型进行分析计算。
2.1.1 结构和受力简介
该副车架焊接总成（见图 1a、图 1b）主要由副车架横梁主板、前加强板、副车架前 安装支座、副车架中安装支座、副车架后安装支座、承载摇臂安装加强件、导向摇臂安装 加强件、转向器托架、发动机支承梁安装支架等组成。该总成由后安装支座定位，并通过 前、中安装支座内的金属橡胶支承连接在车身上。承载摇臂通过金属橡胶支承安装在承载 摇臂安装加强件和与副车架横梁主板之间；导向摇臂通过导向摇臂支架连接在导向摇臂安 装加强件上。
轿车前悬架为双横摆臂式结构，筒式减振器上端通过螺栓与车身相连，减振支柱下端 与承载摇臂相连，螺旋弹簧与减振器串联。
（2） 轿车副车架受力分析的 MSC.ADAMS/Car 模型 由硬点坐标建模，坐标系与整车坐标系一致。MSC.ADAMS/Car 软件提供了悬架中各部
件间约束关系模板，根据整车厂前悬架的结构，约束关系 MSC.ADAMS/Car 中建立的模型如 图 2 所示
在读入模形时以面模型为主，三维几何模型取自整车厂某轿车的 CATIA 模型转换成的 IGES 数据，曲面共 1726 个，见图 3。
图 3 几何模型取自 CAD 系统的曲面模型
2.2.2 有限元模型建立 （1） 本项目以 SHEEL 单元划分有限元网格见图 4。以杆单元模拟点焊。以 MPC（多点约束）
≈6843 N Y 左侧= Z 左侧×ψ （N）
=6843×0.7 （N） =4790 N
（N）
(4)三种工况下的受力计算及结果
由于对于该模型在几何上不能明确主销的空间位置，MSC.ADAMS/Car 在对悬架进行计算 的过程中采用了瞬时转动轴(instant axis)的方法。得到的计算结果如表 3 所示：
简化加载和约束作用点。网格划分边长取 12mm，共有单元 17576 个，节点 17750 个， MPC 10 个。
图 4 有限元网格
（2）材料情况： 常用钢板材料，弹性模量：2×105Mpa、泊松比：0.3 ，赋值于所有的单元上。
（3）约束：
副车架与车身连接点简化成六个自由度完全约束。
图 5 有限元模型的约束施加 （4）外力的施加
1 前言
本文为某轿车副车架焊接总成结构强度分析。该车由某外国公司为某整车厂设计， 其副车架焊接总成是上海汇众为其配套的几大总成之一。该车的样车在国外试车场路试时， 该总成曾出现几处早期故障，有焊接开裂和材料损坏，整车厂不能确定是否主要是零部件 结构设计不合理造成的。
由于整车厂自身不具备 CAE 分析的能力，所以在将该总成交付上海汇众试制时，希 望上海汇众能通过 CAE 分析找出该总成的薄弱环节，对其将来的设计更改起一定的指导作 用。
2002 年 MSC.Software 中国用户论文集
某轿车副车架焊接总成结构强度 CAE 分析
吴铭 周俊龙 王建航 钱锋 (上海汇众汽车制造有限公司)
内容提要:本文论述了作者通过采用 MSC.ADAMS/Car、MSC.Patran MSC.Nastran 等 CAE 分析 软件对某轿车副车架焊接总成的结构强度进行计算机辅助分析，得到了与实际路试十分近 似的结果。说明 CAE 分析能够对产品的开发起实际指导意义，并带来较大的经济利益。 关键词：MSC.ADAMS 、 NASTRAN 、副车架焊接总成结构强度分析
图 6 承载摇臂和导向摇臂与副车架间的力的传递关系以 MPC 简化示意
图 7 制动工况力的施加
5）发动机重量分别分解为 143.96N 200.99 N 200.99N 320.78N 四个分力施加到四个 安装孔位上
图 8 发动机四个分力的施加 （6）有限元模型全貌
图 9 有限元分析全貌
以下为对表四中部分内容的说明 Element Property 单元属性为 2 个，分别为： m 定义到所有面单元上的物理属性 n 定义到所有杆单元上的物理属性 Load Case 工况为 3 个，Load/BC 载荷为 16 个，分别为： 制动工况 a: F1a 制动工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F2a 制动工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F3a 制动工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F4a 制动工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 侧滑工况 b: F1b 侧滑工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F2b 侧滑工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F3b 侧滑工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F4b 侧滑工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 垂直工况 c: F1c 垂直工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F2c 垂直工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F3c 垂直工况承载摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩 F4c 垂直工况导向摇臂橡胶支承中心作用力和扭矩
（3）车轮处的受力状况（以下只计算左侧，右侧与之对应）
根据整车厂提供的参数和数据分别计算出通过不平路面时、制动时、侧滑时的工况，
可以确定在垂直力、纵向力、侧向力分别最大的情况下的左前轮的受力状况。
①通过不平路面时（垂直力最大）：
Z 载荷系数，令δ =2.5；
G 前—前轴载荷，G 前=936Kg≈9172.8
（3）垂直工况 c 分析结果 最大应力 MAX 4.93×102 MPa 最小应力 MIN 5.77×10-12 MPa
节点 31692 节点 52836