解瑞雪

摘 要： 以某半掛車車架為研究對象，利用CATIA建立車架的三維實(shí)體模型，并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，選取不同工況條件進(jìn)行強(qiáng)度剛度模擬分析，經(jīng)校核該車架的結(jié)構(gòu)符合要求。針對車架主縱梁部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后車架的變形量及應(yīng)力值均有下降。

關(guān)鍵詞： 車架；有限元；ANSYS；結(jié)構(gòu)分析；優(yōu)化

汽車車架作為汽車總成的一部分，是整個(gè)汽車的基體，承受著來自路面及裝載的各種復(fù)雜載荷的作用，汽車上許多重要總成部件都是以車架為安裝載體，其強(qiáng)度和剛度在汽車設(shè)計(jì)中有重要的作用。采用傳統(tǒng)理論分析方法，建立數(shù)學(xué)模型求解方程組，較難獲得方程組的解。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析法的優(yōu)勢凸顯，得到了廣泛應(yīng)用。本文利用ANSYS建立半掛汽車車架有限元模型，選取彎曲和緊急制動(dòng)工況，施加不同載荷和約束條件，進(jìn)行車架形變和應(yīng)變分析。

1 半掛車車架三維模型建立

本文選用的半掛汽車車架是邊梁式車架，整個(gè)車架長為12050mm，前懸1160mm，軸距為8400mm。主要由兩根縱梁和若干橫梁組成該車架的縱梁結(jié)構(gòu)采用平板式，橫截面斷面為工字形，橫梁斷面亦采用“工”字型斷面，提升載荷傳遞效率。其中兩縱梁連接采用橫梁與縱梁下翼板、腹板和上翼板焊接連接的方式。

在不影響計(jì)算結(jié)果精度的前提下，為了提升計(jì)算效率，將車架三維模型進(jìn)行如下簡化：省略凸臺、銷孔、防護(hù)網(wǎng)等部件。利用CATIA軟件完成半掛車車架模型的建立，如圖1所示。

2 車架有限元模型的建立

有限元分析法是伴隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展而快速發(fā)展并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，現(xiàn)已成為汽車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，能夠能明顯縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。本文將CATIA繪制的車架三維模型導(dǎo)入ANSYS，經(jīng)前處理后建立車架有限元分析模型[1]-[2]。

2.1 模型導(dǎo)入

將三維模型以IGES格式導(dǎo)入ANSYS中，由于軟件間存在兼容性問題，為了提升網(wǎng)格質(zhì)量，對部分線、面進(jìn)行進(jìn)一步的修改。

2.2 材料屬性

車架材料選用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼，假設(shè)車架結(jié)構(gòu)材料是均勻材料且各向同性。具體材料參數(shù)如下：彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3，屈服極限360MPa，抗拉強(qiáng)度550MPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型選用Solid187，網(wǎng)格大小設(shè)定50mm，四面體網(wǎng)格，共生成單元總數(shù)為77546個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為158439個(gè)。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

2.4 邊界約束

模擬的工況不同，為了獲得更精確的仿真結(jié)果，采用不同約束條件。半掛車前部通過牽引銷與牽引車連接，簡化為全自由度約束。對于勻速行駛工況，車架后部兩縱梁下方的支撐板處也采用全約束。緊急制動(dòng)工況，車架前部為全約束，后部車輪位置施加垂直方向約束[3]-[5]。論文不考慮鋼板彈簧的作用。

2.5 載荷設(shè)置

半掛車車架所承受的載荷質(zhì)量主要包括罐體質(zhì)量以及載貨質(zhì)量。半掛車額定載重30t，自重1.0t，靜態(tài)分析時(shí)，采用均布載荷進(jìn)行處理。動(dòng)載系數(shù)為1.3，重力加速度為9.8m/s2。

3 仿真與分析

選取2種不同行駛工況，分別施加對應(yīng)約束和載荷，利用ANSYS對車架進(jìn)行有限元分析，獲得位移和壓力云圖。

3.1 勻速行駛工況

假定車輛滿載下勻速行駛，車架主要承受彎曲載荷，產(chǎn)生彎曲變形，載荷主要為自身質(zhì)量和承載物質(zhì)量。經(jīng)有限元分析得到車架的變形圖和應(yīng)力云圖，如圖3、4所示

3.2 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)時(shí)，車輛制動(dòng)減速度為5m/s2，車架所受載荷為自重、載重和制動(dòng)慣性力。經(jīng)有限元分析得到車架的變形圖和應(yīng)力云圖，如圖5、6所示。

3.3 結(jié)果分析

分析各工況車架的變形位移圖和應(yīng)力云圖，得到各工況下最大變形量和最大應(yīng)力值，如表1所示。

勻速行駛工況下，車架的最大變形量為1.6753mm，位于車架縱梁中前部，變形量小于車架縱梁所允許的最大變形位移（最大位移量=[0.002--0.003]*L）要求[6]，該車架滿足剛度要求。分析應(yīng)力云圖知，最大應(yīng)力位于牽引銷兩側(cè)縱梁區(qū)域，數(shù)值為58.97MPa，小于材料的應(yīng)力極限，車架的強(qiáng)度滿足要求。緊急制動(dòng)工況下，車架最大變形量為1.6816mm，最大應(yīng)力值為58.10MPa，變形量及應(yīng)力值均滿足車架的強(qiáng)度剛度要求。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的車架強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，但該縱梁的最大應(yīng)力多集中在主縱梁中間懸空位置。為了減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，增加車架的承載能力，采用增加主縱梁截面高度，在應(yīng)力集中位置采用加強(qiáng)筋或加強(qiáng)板的方式，提高強(qiáng)度，增大承載能力，如圖7所示。

優(yōu)化改進(jìn)后的車架經(jīng)有限元分析后，得到的應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖8、9所示。優(yōu)化后，車架所受的最大應(yīng)力為48.5MPa，最大變形量為1.37mm。與優(yōu)化前相比，最大應(yīng)力值和最大變形量都有降低，明顯提高了主縱梁整體強(qiáng)度和剛度。

5 總結(jié)

本文選取半掛車車架為研究對象，設(shè)計(jì)建模并利用有限元法對車架強(qiáng)度、剛度展開研究，通過不同工況下車架最大變形量和最大應(yīng)力值的計(jì)算得出，該車架的強(qiáng)度和剛度符合設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)分析結(jié)果對車架縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力應(yīng)變值，提升承載能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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