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　　本文以某6X2牽引車為分析對象，通過使用超單元法，提取整車分析中應力集中部分的邊界條件，對該部件進行詳細分析。對比了在相同的計算環境下，不同分析模型的計算時間及計算結果，分析了超單元在重型汽車分析應用中的可行性。
　　
　　2 超單元應用
　　
　　超單元可以看作一種子結構，每個超單元的處理都形成一組減縮矩陣（質量、阻尼、剛度、載荷），代表從相連的鄰近結構所看到的超單元特性。當所有超單元都被處理之后，這些減縮矩陣被裝配到子模型中，并對其進行求解。然后使用與超單元的初始減縮類似的轉換過程，對每個超單元擴展到附著點的數據，進行數據恢復。超單元可以由物理數據組成，也可以定義為一組外來矩陣，附加到模型上。
　　
　　超單元的定義流程如下：
　　
　　1．按照一般方法定義單元和節點；
　　
　　2．將各個超單元包含的單元和節點分為不同的組；
　　
　　3．選擇不同組創建相應的超單元，同時定義邊界節點。
　　
　　超單元在靜力學分析中的CAE載荷要求：
　　
　　可以使用一般約束及載荷（如各種力、溫度或壓力）
　　
　　不能使用強迫運動（比如加速度、速度、強制位移等）
　　
　　否則在分析時會導致結果錯誤或計算終止。
　　
　　3 牽引車車架強度分析
　　
　　牽引車一般為公路用車，使用工況為高速公路和國道。該車型主要針對長途跨省際物流運輸市場，行車的速度區間也較高，一般在75km/h～100km/h之間。該車CAE軟件設計列車總質量為55T，CAE仿真設計鞍載質量約17T。
　　
　　考慮用戶存在輕微超載情況，該模型假設用戶超載質量約為總質量的20%，則超載時，列車總質量為65T，鞍載質量則為21T，由于該車為公路用車，選擇工況比較惡劣且具有代表性的滿載過凸包工況進行分析，如圖1所示，圖中凸包的高度約為120mm。
　　
　　3.1完成基本模型的建模
　　
　　車架采用殼單元，單元尺寸約10mm。鑄造件采用二階四面體單元，單元基本長度為8mm，最小單元長度為2mm。駕駛室、動力總成、電瓶箱、散熱器、油箱等附件系統均采用集中質量點，分布在各總成的質心處，通過RB3單元傳遞力或力矩。鋼板彈簧通過等效剛度簡化成單片beam梁。車橋使用工字梁或者矩形梁，并調整其質量及慣量等，使其與物理樣件保持一致。所有通過螺栓及鉚釘連接的零件均采用Rigid-Bar-Rigid連接方式，有限元模型如圖2所示。

　　
　　3.2調整模型及對標
　　
　　調整模型的總質量與物理樣車稱重質量保持一致，同時調整模型各附件的質心位置，使得計算模型的軸荷與物理樣車的軸荷（空載／標載）誤差不超過5%，從而確保計算模型的準確度。
　　
　　3.3計算結果
　　
　　該模型在超載20%時，前一軸駛上120mm高的臺階時的計算結果，如圖3所示，**應力集中在一軸后吊耳支架和二軸前吊耳支架處，**應力超過了510MPa，并在這一段車架縱梁上形成了小區域的應力集中區。因此該段模型需要進行更詳細的計算以確定該處的應力是否失真。


　　4 超單元在牽引車車架分析中的應用
　　
　　4.1定義超單元
　　
　　確定需要詳細計算的子模型，并在超單元模型中將需要詳細計算的子模型刪除，剩下的模型便是我們需要定義的超單元部分，如圖4所示。
　　
　　計算該超單元模型，并得到該模型的等效剛度矩陣及等效載荷矩陣。將該等效矩陣通過DMIG直接矩陣輸入法與子模型進行合并，計算后與整體計算模型的結果進行對比，驗證超單元模型定義是否準確，子模型計算結果如圖5所示，子模型的應力云圖(圖5(b))與整體模型的應力云圖(圖5(a)紅圈所示部分）基本一致。
　　
　　4.2細化子模型
　　
　　對子模型進行以下細化。調整網格密度，增加接觸、及接觸之間的摩擦力，增加螺栓的預緊力，更改子模型算法為非線性算法。細化后的子模型如圖6所示。計算結果與整體模型應力云圖的比較如圖7。
　　
　　圖7所示，圖7(a)為整體模型計算結果，圖7(b)為細化后的子模型結果。整體模型此處**應力值為596MPa，細化的子模型此處**應力值為590MPa。**應力值及應力位置基本無變化，但應力云圖變化較大。
　　
　　此處也正是該樣車車架失效較多的部分，其破壞結果與計算結果吻合度較高，樣車車架失效情況如圖8所示。
　　
　　5 計算耗時對比
　　
　　使用超單元分析有利于縮減計算規模和縮短計算時間，圖9為非線性子模型(圖9(a))與非線性整體模型(圖9(b))計算時的硬件和時間的消耗情況，表3為不同模型及算法的計算時間的對比。
　　
　　注：整體模型在進行非線性計算時，子模型區域的網格尺寸、接觸區域、螺栓預載荷模型等均與子模型一致。其中90秒為超單元求解時長。
　　
　　從表中可以看出，運用超單元方法對需要詳細計算的部分進行細化，或者由線性算法變成非線性算法，不僅**的提升了計算效率，而且能讓有限元模型更加符合實際情況。
　　
　　超單元方法在對車架的局部優化及局部模型的詳細計算等方面有著不可取代的優勢。
　

　　本文利用超單元方法對某牽引車模型進行了詳細計算，對比了不同的分析模型所需要的計算資源與消耗時間。研究結果表明，利用超單元方法對大模型進行子結構的詳細分析，有利于節省計算資源，縮短計算時長，能大大提高對現有計算資源的利用效率。

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