洪章仁，邵剛，殷寒寒

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某重卡車架開裂分析及改進(jìn)

洪章仁，邵剛，殷寒寒

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車架是重卡各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)、車身和其他總成件連成一個(gè)有機(jī)的整體。文章針對(duì)某重卡車架開裂開裂問題，模擬車架使用工況進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。以某一個(gè)重卡車架做為研究對(duì)象，采用UG三維建模軟件進(jìn)行建模，運(yùn)用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，分析車架開裂原因，運(yùn)用同樣方法對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行有限元分析，確認(rèn)整改方案并實(shí)施。

車架總成；UG；Altair HyperWorks12.0；有限元分析

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-111-03

引言

車架是整車的基體，商用車絕大多數(shù)總成件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)）都固定在車架上。車架支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。這些載荷致使車架產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形和疲勞斷裂。連接的總成件多，再加上復(fù)雜的路況，使得車架在整車系統(tǒng)中受力復(fù)雜。傳統(tǒng)的計(jì)算方法一般只計(jì)算縱梁的彎曲截面系數(shù)并估算彎曲應(yīng)力，無法準(zhǔn)確計(jì)算車架整體或局部應(yīng)力。汽車開發(fā)中，車架總成的可靠性驗(yàn)證一般依托整車可靠性路試實(shí)現(xiàn)，成本大、周期長。而采用有限元分析能夠在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期模擬車架總成受到的載荷以及各種工況，分析車架的模態(tài)、強(qiáng)度、剛度等，降低設(shè)計(jì)成本并縮短設(shè)計(jì)周期。在解決車架實(shí)際問題上，有限元分析方法能夠直觀查看車架應(yīng)力云圖等，從而制定改進(jìn)方案，再回頭與原方案進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)改進(jìn)方案是否有效，大大提升了解決問題的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1 概述

市場(chǎng)反饋，某重卡車架縱梁上翼面開裂，開裂部位為駕駛室后支撐前端，見圖1。經(jīng)調(diào)查該車型為運(yùn)礦車，行駛路況復(fù)雜，且經(jīng)常往返高速公路，基本不超載。本文以該車架總成為研究對(duì)象，采用UG三維建模軟件進(jìn)行建模，運(yùn)用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進(jìn)行載荷和工況模擬，根據(jù)分析結(jié)果制定改進(jìn)方案，通過對(duì)比分析對(duì)比找出最優(yōu)方案。

圖1 車架縱梁開裂

2 車架總成三維建模

表1 車架總成參數(shù)

圖2 車架總成的三維實(shí)體模型

3 車架總成有限元分析

3.1 車架三維模型和網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分前對(duì)車架總成模型進(jìn)行簡化。分析目的是確認(rèn)車架縱梁應(yīng)力情況，因此簡化了懸架支架，對(duì)小尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，如小孔、小圓角等，從而減少網(wǎng)格數(shù)量。

車架總成大部分零部件是等厚板材，抽取中性面將實(shí)體轉(zhuǎn)化為片體進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分。鑄件以及部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件劃分為實(shí)體網(wǎng)格。

表2 網(wǎng)格參數(shù)

3.2 定義材料屬性

車架總成零件材料為B510L，其力學(xué)性能如下表所示：

表3 材料的屬性

3.3 縱梁橫梁的連接及板簧的簡化

縱梁和橫梁采用鉚接連接，強(qiáng)度較大而且可靠性較高。在模型建立過程中用CBEAM的圓柱體單元模擬鉚釘連接。

前后懸架板簧單元采用spring單元模擬，并對(duì)板簧支架、吊耳位置進(jìn)行約束。

3.4 施加約束條件及載荷

選擇車架上的主要載荷，以質(zhì)量點(diǎn)的形式施加集中載荷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇合適加速度以重力場(chǎng)形式模擬各種工況。扭轉(zhuǎn)工況中，以釋放一橋單邊輪自由度的形式來模擬車架單輪懸空。

圖3 施加約束條件及載荷

表4 各主要載荷質(zhì)量

表5 各模擬工況重力場(chǎng)施加

3.5 車架總成斷裂位置局部應(yīng)力分布結(jié)果

經(jīng)分析，在垂直沖擊工況下，縱梁翼面最大應(yīng)力超過了材料的屈服極限。應(yīng)力最大點(diǎn)在懸置支架螺栓孔上，與實(shí)際開裂位置一致。

圖4 改進(jìn)措施

4 優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)上述分析，垂直沖擊工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架位置縱梁上下翼面最大應(yīng)力超過了材料屈服應(yīng)力，是造成縱梁開裂的主要原因。同時(shí)縱梁加強(qiáng)板未起到加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置位置縱梁的作用。針對(duì)該情況，提出兩種改進(jìn)措施：

（1）重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架，改為腹面連接；

（2）縱梁加固板加長到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架位置。

4.1 有限元分析

同時(shí)采取兩種改進(jìn)措施，調(diào)整模型后重新進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如下：

表7 改進(jìn)后局部應(yīng)力分布

4.2 結(jié)果對(duì)比

從表6、表7中可以看出，改進(jìn)后所有工況最大應(yīng)力都沒有超過屈服應(yīng)力，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。垂直沖擊最大應(yīng)力發(fā)生位置從縱梁上下翼面轉(zhuǎn)移到腹面，最大應(yīng)力值從362.1MPa減小到289.7MPa，有明顯改善。扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力大幅減小，驅(qū)動(dòng)工況輕微減小。制動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力有一定的增加，但安全系數(shù)都比較高。

表8 結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

該改進(jìn)方案已實(shí)施并經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證，徹底解決了該車架縱梁開裂問題。本文通過Altair HyperWorks12.0對(duì)車架進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，得到了車架在各工況下的應(yīng)力分布云圖。根據(jù)應(yīng)力云圖制定改進(jìn)方案并重新進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)后的應(yīng)力分布情況相對(duì)改進(jìn)前有明顯的改善。說明在垂直沖擊等工況下，縱梁上下翼面是薄弱位置。在車架設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量將發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等集中載荷從縱梁上下翼面轉(zhuǎn)移到縱梁腹面上。

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Analysis And Improvement of AHeavy Truck Frame Based on HyperWorks

Hong Zhangren, Shao Gang, Yin Hanhan
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Frame is the mounting base of each assembly of heavy truck. It connects the engine, body and other parts into an organic whole. In this paper, the static strength analysis of a heavy truck frame cracking and cracking problem is carried out by simulating the service conditions of the frame. A heavy truck frame as the research object, modeling using UG 3D modeling software, the simulation test using Altair finite element analysis software HyperWorks12.0 analysis frame cracking using the same method, the finite element analysis of the improved scheme, confirm the rectification scheme and implementation.

Frame assembly; UG; AltairHyperWorks12.0; Finite Element Analysis

U472.4

A

1671-7988 (2017)13-111-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.038

洪章仁，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。