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汽車車架是發(fā)動機、底盤、車身各總成及專用車專用設施的安裝基礎和關鍵承載部件。基于有限元分析單元法的車架設計，可以在設計階段對車架的力學性能進行計算、分析及預測，對多種設計方案進行評估，從而為車架結(jié)構(gòu)的設計和改進提供理論依據(jù)。
現(xiàn)代重型貨車的車架一般都是由多層鋼結(jié)構(gòu)組成，在有限元分析中，如何模擬各層鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸是車架有限元分析的重點和難點。早期的做法是將車架作為一個整體零件來處理，這樣處理與實際情況相比，有較大的誤差，在計算上大大地增加了整個車架結(jié)構(gòu)的剛性。目前大多采用某種等效的方法，雖然在一定程度上提高了分析精度，但這種方法往往取決于經(jīng)驗和技巧，特別是很難準確確定相接觸梁所分擔的載荷而不能真實地反映車架各層鋼結(jié)構(gòu)之間的作用，要經(jīng)過反復試算才能得到較滿意的結(jié)果。
間隙偽單元(GAP單元)能較好地反映大面積接觸區(qū)域性的特點，提高其計算精度。用GAP單元模擬車架梁與梁之間的接觸不需要大量試算，可以降低對分析人員需有豐富經(jīng)驗的要求，提高分析效率。但是這方面研究在國內(nèi)外文獻中很少報道，為此采用GAP單元來模擬車架多層鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸，并且進行試驗驗證，為含多層鋼結(jié)構(gòu)的車架有限元分析提供有效的方法。
以某汽車廠某型號重型貨車的車架為分析對象，建立有限元分析模型。該車架長為7.155m，寬為0.94 m，由2根縱梁和6根橫梁組成。考慮到車架模型的復雜性，首先在UG軟件里面建立車架的面模型，再導入到Hyperworks軟件進行離散和分析。車架縱梁和橫梁采用殼單元，對一些實體零件(如吊耳)選用實體單元，鋼板板簧采用梁單元和彈簧單元模擬。由于車架多處是由多層鋼結(jié)構(gòu)疊加鉚接或螺栓連接而成，在建立模型時用MPC(多點約束)模擬鉚接或螺栓連接，用GAP單元來模擬各個鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸行為，所簡化的模型包含206516個節(jié)點，334980個單元，網(wǎng)格劃分后的模型如圖所示。
GAP單元是用來模擬接觸的三維間隙(GAP)單元，在未接觸區(qū)，它不影響分析對象的運動狀態(tài)，在接觸區(qū)域，GAP單元的法向剛度將變得足夠大以阻止接觸體相互侵入，為了表示接觸面上節(jié)點的位移和接觸力的關系，建立所示的局部坐標系。GAP單元由GA，GB兩點構(gòu)成，其載荷-位移關系可由接觸面的法向分量和切向分量來描述。
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