包崢嶸，胡林嵐

(揚州職業(yè)大學，江蘇揚州 225009)

主車架作為履帶式工作車輛上關鍵的零部件之一，是整個車輛的基體。履帶式工作車輛上絕大多數(shù)的零部件(如行走裝置、發(fā)動機、傳動系、操縱機構、工作裝置、駕駛室等)都是通過車架來固定其位置。主車架的功用是支承連接車輛的各零部件，并承受來自車內外的各種載荷。主車架的強度和剛度與履帶式工作車輛的行駛性能和作業(yè)性能密切相關。各階固有頻率和振型是車架的基本特性，在車架上施加周期性外力時，若其頻率在車架的固有頻率附近，就會激起共振，影響車輛的行駛平順性和使用壽命，強烈的振動會引起履帶式工作車輛上零部件結構破壞［1，2］。

根據(jù)結構設計的需要，主車架是一個采用各種型鋼焊接而成的形狀不規(guī)則的焊接件，承受各種形式的載荷，因此用經典的力學方法對其進行強度、剛度分析的難度較大。利用有限元法可以方便地計算出車架的應力和應變分布，并以之作為指導、改進車架設計的依據(jù)，使其結構趨于合理。

1 車架有限元計算模型的建立

1.1 主車架幾何模型的建立

建立有限元模型和劃分網(wǎng)格。首先在保證主車架主要特性、確保網(wǎng)格劃分順利進行的同時對主車架局部簡化。由于車架形狀復雜，在Ansys內部建模很不方便，用Pro/E軟件建立車架的三維實體模型，然后轉化為IGES格式后導入到Ansys軟件，作為Ansys軟件進行有限元分析的幾何模型。主車架三維實體圖見圖1。

圖1 主車架實體圖

1.2 單元的選擇與劃分

有限元分析常用的三維實體單元有六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在單元劃分時要求結構比較規(guī)則，對于復雜零件用六面體網(wǎng)格進行自動劃分時十分困難，而用四面體單元分析三維結構，單元劃分很靈活，可以逼近較復雜的幾何形狀，并且各種軟件的四面體網(wǎng)格自動劃分功能已相當成熟。本次設計在計算時選用Solid45單元。

1.3 有限元模型網(wǎng)格的劃分

主車架的形狀比較大而且很不規(guī)則，網(wǎng)格劃分的比較細，則單元數(shù)增加，計算量較大;網(wǎng)格劃分的較大，則其中一些小尺寸的圓弧、倒角等有可能劃分單元出錯。因此，采用了自適應智能網(wǎng)格劃分的方法對零件進行整體智能網(wǎng)格劃分，劃分時將網(wǎng)格大小設為9。圖2為車架網(wǎng)格模型圖，共有106634個節(jié)點，350790個單元。

1.4 施加載荷及邊界條件

履帶式排灌車工作時，所有支重輪承受支座反力，車架的載荷主要有柴油機、傳動系、中間傳動機構、混流泵的重力以及出水管的水柱對車架的后坐力等，將這幾個載荷加載并進行必要的簡化，均布在車架4根橫梁上的8塊平板上，載荷設為2.5×103kg，平板的總面積是0.127m2，作用在平板上總壓力是19.4MPa，邊界條件采用了極限條件下的工況，即所有支重輪安裝處的X、Y、Z三個方向自由度全部約束住。此時車架的載荷及邊界條件見圖3。

圖3 車架的外加載荷及邊界條件

1.5 材料參數(shù)

選用的材料參數(shù)應與真實材料參數(shù)相符合。碳素結構鋼是建筑及工程用非合金結構鋼，價格低廉，工藝性能優(yōu)良，用于制造一般工程結構及普通機械零件。通常熱軋成扁平成品或各種型鋼，一般不經過熱處理，在熱軋狀態(tài)下直接使用，考慮到制造成本，選用碳素結構鋼作為車架的材質。

經綜合考慮，本試驗樣機采用材質為:Q235A。其彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.8×103kg·m－3，泊松比為 0.3，屈服強度為235MPa，其材料屬性為各項同性且是線彈性的。

2 主車架的靜力特性分析

邊界條件采用了極限條件下的工況，即所有支重輪安裝處的X、Y、Z三個方向自由度全部約束住，由Ansys系統(tǒng)對車架進行受力分析計算，得到車架的應力和應變分布，再經后置處理，輸出等效應變和應力云圖。

2.1 應力分析

圖4為車架的應力分布云圖。顯示紅色區(qū)域或接近紅色的區(qū)域是應力集中的地方，從應力分布圖可見，車架的應力較小，最大應力發(fā)生在液壓馬達安裝架和縱梁交接處，最大應力為95.3MPa。

圖4 車架的應力分布云圖

2.2 應變分析

圖5為車架的應變分布云圖。從應變分布圖可見，車架的最大應變，發(fā)生在液壓馬達安裝架和縱梁的交接處，此處的最大變形為0.48mm。

圖5 車架的應變分布云圖

3 主車架的模態(tài)分析

履帶式排灌車的主要振源來自于柴油機，同時履帶式排灌車在行走時由于地面不平和在抽水作業(yè)時由于混流泵振動都會對車架形成激勵，這些都對履帶式排灌車的使用造成影響。為了保證履帶式排灌車的工作安全性，只考慮車架的靜剛度是不夠的，還必須同時考慮車架的動態(tài)特性，避免激勵振源與車架產生共振。當激勵振源的激振頻率與車架的某一固有頻率接近時，就有可能引起共振，從而產生很大的動應力，造成車架結構的破壞或產生不允許的大變形，影響車架的性能［3，4］。

在車架的模態(tài)分析中，使用前面已建立的有限元網(wǎng)格模型，計算車架在自由狀態(tài)下的固有頻率和振型，提取車架的前10階模態(tài)。將車架的模態(tài)分析分成車架不加約束時的模態(tài)分析和帶約束的模態(tài)分析。

對車架不加約束時的模態(tài)分析，各階頻率見表1。在不加約束進行模態(tài)分析時，得到前4階固有頻率為0，這些為0的固有頻率表現(xiàn)為剛體模態(tài)。車架最接近柴油機的激振頻率(20－30Hz)的是第7階頻率61.525 Hz，但也有一定差距，因而所設計的車架在工作過程中一般不會引起整個車輛的共振而造成破壞。

表1 車架不加約束時各階頻率

對車架進行帶約束的模態(tài)分析，約束仍然按靜力分析中的約束，模型見圖6，得到車架各階頻率見表2。

圖6 加約束進行模態(tài)分析的模型

表2 車架加約束后各階頻率

經過對車架進行模態(tài)分析可知，車架最小固有頻率為240.89Hz，遠大于柴油機的激振頻率(20－30Hz)，因而所設計的車架在工作過程中一般不會引起整個車輛的共振而造成破壞。

4 主車架的優(yōu)化方案

通過對所設計車架的模態(tài)分析可知，本次設計車架的最小固有頻率大于柴油機的激振頻率(20－30Hz)，因而所設計的車架在工作過程中一般不會引起整個車輛的共振而造成破壞。在靜力學分析中車架整體絕大部分應力和應變都較小，只有液壓馬達安裝架和與車架的縱梁交接處存在最大應力和應變，分別為95.3MPa和0.48mm，因此對液壓馬達安裝架結構進行局部優(yōu)化就可以。

出現(xiàn)應力和應變相對于其他部位較大的最主要原因是因為連接處相對于其他部位的剛性較弱，可適當增加連接處安裝平板和幾處加強筋板的厚度，安裝平板原來厚55mm增加為60mm，加強筋的底邊原來是55mm增加為60mm，優(yōu)化后的液壓馬達安裝架結構如圖7所示，這樣提高了聯(lián)接處的剛度，使車架整體受力更加均勻，達到了優(yōu)化的效果。

圖7 優(yōu)化后的液壓馬達安裝架

5 結語

本文在分析履帶式工作車輛工作情況的基礎上利用有限元分析軟件Ansys建立主車架的有限元模型，進行剛度、強度校核，體現(xiàn)了有限元分析設計快速、準確、高效的特點。在此基礎上對車架模型進行了約束模態(tài)分析，做出了主車架的模態(tài)分析，對產生最大應力和應變的部位，提出優(yōu)化方案，為試驗樣機的制造打下了堅實的基礎。

［1］肖文生.基于ANSYS WORKBENCH的壓裂車主副車架有限元靜態(tài)分析［J］.技術論壇，2012(4):81－83.

［2］陳思棟.履帶式車架結構設計與驗證［J］.農業(yè)裝備與車輛工程，2010(12):18－20.

［3］包丕利，石傳龍.貨車車架的建模與模態(tài)分析［J］.教育教學論壇，2012(10):98－99.

［4］劉新田.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析［J］.上海工程技術大學學報，2007(6):112－116.