李喜全,孫于胤,周玉軍
(隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心,重慶400052)
自上世紀(jì)50年代以來,我國三輪摩托車的生產(chǎn)和銷售,一直沿著歷史的軌跡平緩地向前發(fā)展。20世紀(jì)90年代伴隨著摩托車工業(yè)春天的到來,三輪摩托車行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。特別是經(jīng)過近十多年的發(fā)展,三輪摩托車的市場也呈上升趨勢。對于那些不需要過于精良運(yùn)輸工具的生意人和經(jīng)常奔跑于崎嶇道路的農(nóng)民以及平時(shí)用于居家代步的老年人,三輪摩托車正迎和著許多用戶。為滿足廣大用戶的安全保障,適用于各種極限駕駛工況,車身強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)就顯的尤為重要,為此開展了對三輪車車身強(qiáng)度的研究。
車架作為整車各總成的安裝基礎(chǔ)是核心受力結(jié)構(gòu),它既要有足夠的強(qiáng)度又要有足夠的剛度,在開發(fā)階段顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的普及,目前車架設(shè)計(jì)多數(shù)先用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)細(xì)化、建立三維數(shù)模,再根據(jù)車架的受力特點(diǎn)和整車運(yùn)行工況借助CAE軟件進(jìn)行有限元分析[1-4]。見圖1.
圖1 近幾年三輪車銷量圖
分析用的車架參數(shù)如下表1所示。
表1 車架簡化分析主要參數(shù)表
車架材料均采用Q235A,屈服強(qiáng)度為235 MPa,安全系數(shù)取1.3,許用應(yīng)力取180 MPa.分析結(jié)果強(qiáng)度合格判定依據(jù):結(jié)構(gòu)應(yīng)力≤結(jié)構(gòu)對應(yīng)材料許用應(yīng)力。
(1)彎曲工況:車輛在水平路面勻速行駛。
(2)扭轉(zhuǎn)工況:車輛在顛簸道路行駛。
(3)聯(lián)合制動(dòng)工況:車輛在行駛中緊急制動(dòng)。
(4)舉升工況:車廂在12°時(shí)開始卸貨。
由于在實(shí)際使用中扭轉(zhuǎn)工況和制動(dòng)工況對車身損害最大,通過相關(guān)軟件分別計(jì)算得出對應(yīng)工況相對的前輪(Single front)力值以及后輪(Tire L2/Tire R2)力值。制動(dòng)工況中車架主要受到縱向力和垂向力的影響,計(jì)算所得力值如圖2、圖3所示,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取12 s時(shí)刻力值加載在車架模型上。扭轉(zhuǎn)工況中由于車身的傾斜,務(wù)必受到側(cè)向力的影響,所以計(jì)算扭轉(zhuǎn)工況中側(cè)向力值以及垂向力值,如圖4、圖5所示。同樣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取同一時(shí)刻力值加載在車架模型上。
圖2 制動(dòng)工況縱向力值
圖3 制動(dòng)工況垂向力值
圖4 扭轉(zhuǎn)工況側(cè)向力值
圖5 扭轉(zhuǎn)工況垂向力值
三輪車摩托車車架主要部件包括主梁、左右邊梁、轉(zhuǎn)向立管、發(fā)動(dòng)機(jī)支撐、板簧安裝支架及限位塊。這些部件大多采用鋼管和鋼板焊接而成。
本文采用CATIA對其進(jìn)行三維建模,由于考慮的是車身的主要結(jié)構(gòu),故將對車身強(qiáng)度影響較小的部件忽略,對車身進(jìn)行簡化處理,簡化原則如下:
(1)忽略對車身強(qiáng)度影響較小部件,例如電器固定片、消聲器固定支架、備胎安裝支架等;
(2)車架各部件的連接是通過焊接實(shí)現(xiàn)的,部分采用點(diǎn)焊、拉焊。為簡化模型,均以3mm厚度的面代替焊縫;
(3)為了保證網(wǎng)格符合有限元分析的要求,對部件不重要的倒角將進(jìn)行去倒角處理。
對于與車身進(jìn)行安裝連接的部件,例如:前減震器、板簧、后橋、輪胎等,采用beam進(jìn)行代替。最終劃分出模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為883 879,單元數(shù)量為918 911,模型如下圖6所示。
圖6 車架有限元模型
計(jì)算所得彎曲工況結(jié)果如圖7所示,車身最大應(yīng)力值位于圖7圓圈中為115 MPa,體現(xiàn)在第三圓梁與左右邊梁的連接處,這是由于載荷主要集中在車身后半部,其值小于180 MPa,滿足安全使用強(qiáng)度要求。扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果如圖8所示,最大應(yīng)力值位于圖8圓圈中為175 MPa,此工況為實(shí)際使用過程中最惡劣的使用工況,必須嚴(yán)格保證第三圓梁與邊梁的焊接質(zhì)量,保證無漏焊、虛焊,其值略小于180 MPa,滿足安全強(qiáng)度使用要求,需加強(qiáng)關(guān)注。制動(dòng)工況結(jié)果如圖9所示,最大應(yīng)力值位于圖9圓圈中為124 MPa,體現(xiàn)在車身中部,這是由于制動(dòng)時(shí)車身及重物的慣性導(dǎo)致,其值小于180 MPa,滿足安全使用強(qiáng)度要求。舉升工況結(jié)果如圖10所示,最大應(yīng)力值位于圖10圓圈中為136 MPa小于180 MPa,滿足安全強(qiáng)度使用要求。
圖7 彎曲工況結(jié)果云圖
圖10 舉升工況結(jié)果云圖
圖8 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果云圖
圖9 制動(dòng)工況結(jié)果云圖
有限元分析結(jié)論定為:車身強(qiáng)度合格,薄弱結(jié)構(gòu)為第三圓梁與邊梁的連接處,應(yīng)保證其焊接質(zhì)量。
本文應(yīng)用有限元分析法,對能反應(yīng)正三輪摩托車實(shí)際使用情況的水平彎曲、極限扭轉(zhuǎn)和緊急制動(dòng)工況進(jìn)行了仿真分析,計(jì)算得出車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖,找出車架的薄弱環(huán)節(jié),分析破壞形式,判定出整車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平,從而在前期設(shè)計(jì)階段,為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可靠設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)。
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