劉丙曉

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

基于ANSYS Workbench的貨車車架有限元分析

劉丙曉

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

ANSYS Workbench是ANSYS求解實(shí)際問題的新一代平臺產(chǎn)品，集成了ANSYS旗下大部分軟件，可以更加高效、精確地解決工程問題[1]。文章以某貨車車架為目標(biāo)，對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析。運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks對車架進(jìn)行建模，并通過ANSYS Workbench17.0進(jìn)行分析計(jì)算，求得不同工況下車架的變形量與應(yīng)力值，為車架的設(shè)計(jì)提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

ANSYS Workbench；有限元；貨車車架；靜力學(xué)分析

前言

汽車車架是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成的承載體，由縱梁與橫梁組成，承載了車輛行駛中的各種載荷，其設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度對整車性能有著舉足輕重的影響[2]。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于車架的設(shè)計(jì)十分重要，而且最為耗時(shí)。由于縱梁與橫梁的交叉連接使得承重后的車架內(nèi)部受力變得復(fù)雜，所以要使得車架滿足強(qiáng)度、剛度標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。在以往的設(shè)計(jì)中大多是通過類比與經(jīng)驗(yàn)完成對車架的參數(shù)設(shè)計(jì)，但是需要較大的計(jì)算量且數(shù)據(jù)結(jié)果精確度不高。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，ANSYS Workbench脫穎而出，多被用于有限元分析。本文在此基礎(chǔ)上對某貨車車架進(jìn)行了有限元分析研究。

1 車架基本參數(shù)及模型

本文是在某小型貨車車架基礎(chǔ)上，根據(jù)新的設(shè)計(jì)要求，對車架參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)改進(jìn)和仿真。在進(jìn)行仿真分析前，首先要確定貨車的總體布置形式，然后在此基礎(chǔ)上初步設(shè)計(jì)車架的各個(gè)參數(shù)，比如橫梁、縱梁的尺寸參數(shù)選擇。其次運(yùn)用SolidWorks對車車架進(jìn)行三維建模，由于只是對車架進(jìn)行靜力學(xué)的分析，故在不影響結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，在建模過程中對車架及其附件進(jìn)行簡化。最后將模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench中，進(jìn)行不同工況下的有限元靜力學(xué)分析，以完成對車架的強(qiáng)度、剛度校核。

該貨車車架為邊梁式車架，由2根縱梁，6根橫梁鉚接而成，前后等距。車架全長 6250mm，軸距 3600mm，寬756mm，高196mm。模型如圖1所示。

圖1

2 載荷與網(wǎng)格劃分

車架的載荷由多個(gè)部分組成，在建立車架有限元模型時(shí)，必須對載荷進(jìn)行適當(dāng)處理，以便施加在單元和節(jié)點(diǎn)上[3]。本文在進(jìn)行載荷添加時(shí)，忽略車架自身重量，將駕駛室與其它總成重量作為一個(gè)整體G1進(jìn)行集中載荷添加。將貨箱重量與載重重量作為另一部分載荷 G2進(jìn)行均布載荷添加，且 G1=9700N，G2=25000N。

在對車架有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于車架模型整體較規(guī)則，選擇自由網(wǎng)格劃分，相關(guān)度選擇為60。劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2

3 車架滿載彎曲工況分析

有限元模型的四個(gè)支撐點(diǎn)選擇為對應(yīng)的輪心位置，將G1，G2分別施加到相應(yīng)部位，計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，變形量需滿足要求，同時(shí)最大應(yīng)力值不能大于許用應(yīng)力。

彎曲工況邊界條件如下表1所示。

表1

計(jì)算滿載彎曲工況結(jié)果如下圖所示，可以看出最大變形量約為0.7mm，較大變形量集中區(qū)位于第三橫梁與第四橫梁之間，滿足變形量要求。產(chǎn)生原因在于載貨重量的數(shù)值大于前端駕駛室及發(fā)動(dòng)機(jī)總成重量。尾部出現(xiàn)最大變形量的原因是由于滿載時(shí)車架后部受到的載荷要大于前部[4]，產(chǎn)生的位移會相應(yīng)地變大。

圖3 滿載彎曲工況變形圖

由應(yīng)力云圖可知，車架所受應(yīng)力比較均勻，最大應(yīng)力點(diǎn)位于第二橫梁與左縱梁交叉區(qū)域以及第五橫梁處。最大應(yīng)力值約為25MPa，小于許用應(yīng)力400MPa，符合要求。

圖4 車架滿載應(yīng)力圖

圖5 局部應(yīng)力圖

4 車架扭轉(zhuǎn)工況分析

貨車在行駛過程中會受到路面不平度的影響，這種情況下車架將承受扭轉(zhuǎn)載荷，為了模擬此工況下車架的受力，可以對左前輪進(jìn)行懸空處理。邊界條件如下表2所示。

表2

由云圖可知，變形量較大的部分位于左前輪區(qū)域，最大變形量約為2.2mm，與左前輪懸空有很大的原因。在扭轉(zhuǎn)工況下車架整體的變形量不大。

圖6 扭轉(zhuǎn)工況變形圖

從分析云圖可知，滿載扭轉(zhuǎn)時(shí)最大的應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在第一橫梁與縱梁交叉處，約為 330MPa，小于材料的許用應(yīng)力，但此時(shí)屬于較危險(xiǎn)工況。其它應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在第二橫梁與縱梁的連接處。在此工況下，該車架滿足要求。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力圖

圖9 局部應(yīng)力圖

5 緊急制動(dòng)工況分析

貨車在行駛過程中，往往會因?yàn)榈缆方煌ㄇ闆r而進(jìn)行制動(dòng)，尤其是緊急制動(dòng)，會對車架造成較大的影響，嚴(yán)重時(shí)致使車架出現(xiàn)開裂狀況。由于速度的改變，會產(chǎn)生慣性力，會是車架產(chǎn)生于行駛方向相反的縱向載荷?？v向載荷與制動(dòng)減速度、車載質(zhì)量相關(guān)，慣性力的大小取決于制動(dòng)減速度的大小。為了模擬該工況，在車架的Y方向施加0.7×9800mm/s2，且釋放所有支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度[5]。邊界條件如下表3所示。

表3

由位移云圖可知，車架最大位移出現(xiàn)在尾部，大小約為0.8mm，較大位移區(qū)域還出現(xiàn)在車架中部，位移數(shù)值較小，滿足要求。

圖8 緊急制動(dòng)車架變形圖

由應(yīng)力云圖可知，在慣性力作用下，車架最大應(yīng)力為33MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。同時(shí)車架的第二、五橫梁與區(qū)域受到應(yīng)力較大。應(yīng)力集中對車架的壽命影響較大，所以在設(shè)計(jì)階段，需要采取一定的措施來減少車架的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)避免應(yīng)力集中過大對車架帶來的各種影響。

圖9 緊急制動(dòng)車架應(yīng)力圖

6 總結(jié)

通過ANSYS Workbench對車架進(jìn)行三種工況下的受力分析，可以檢驗(yàn)車架是否滿足基本的設(shè)計(jì)要求。在所得云圖中，可以找到不同工況下的車架最大位移區(qū)域以及最大應(yīng)力區(qū)域，均在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，同時(shí)證明了該車架基本滿足要求。但是，接下來還需要分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對最大的應(yīng)力點(diǎn)以及最大位移點(diǎn)采取一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以消除應(yīng)力集中對車架帶來的損害。通過前面的分析發(fā)現(xiàn)，不同工況下出現(xiàn)的最大應(yīng)力部位是不同的，其中扭轉(zhuǎn)工況出現(xiàn)的應(yīng)力較大，是比較危險(xiǎn)的工況，有必要進(jìn)行一定的改進(jìn)與仿真分析，最終得到具有一定實(shí)際參考意義的分析數(shù)據(jù)。因此對車架的改進(jìn)提出以下幾點(diǎn)措施：

（1）增加第六橫梁壁厚，并在此處增加肋板，以減小其變形。

（2）避免在第二、五橫梁與縱梁連接處打孔，以減小應(yīng)力集中。

（3）在布置負(fù)荷時(shí)，盡量使負(fù)荷直接作用在橫梁上，以減小扭轉(zhuǎn)工況下的車架形變。

（4）在滿足基本強(qiáng)度要求下，選擇截面尺寸較小的縱梁，以減小車架自重。

[1] 喻永巽. ANSYS Workbench的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2014,(09):138-140.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3] 孫艷鵬. 載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化[D].重慶交通大學(xué),2008.

[4] 柏林. 重型載貨汽車車架有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[5] 牟昊. 典型貨車車架結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué),2011.

Finite element analysis of freight car frame based on ansys workbench

Liu Bingxiao
（Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056000）

ANSYS Workbench is a new generation of platform products for ANSYS to solve practical problems, it integrates most of ANSYS's software to solve engineering problems more efficiently and accurately[1]. Taking a truck frame as the goal, it was carried out static analysis. Using the SolidWorks modeling of the frame, and through ANSYS Workbench17.0 for analysis and calculation. Calculated deformation amount and stress value of the frame in different conditions, to provide reliable data for the reference frame design. Calculated deformation amount and stress value of the frame in different conditions, to provide reliable data for the reference frame design.

ANSYS Workbench; Finite element; Truck frame; Static analysis

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-157-03

U461.99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-157-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.052

劉丙曉，就讀于河北工程大學(xué)，碩士研究生，汽車輕量化。