楊先鋒，李沖天，姚旿冰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

車架作為整車的骨架，是支承連接汽車各零部件，并承受來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷，是汽車的基體，汽車的絕大多數(shù)部件和總成都是通過(guò)車架來(lái)固定其位置的。因此，車架的結(jié)構(gòu)是否合理，強(qiáng)度、剛度是否滿足復(fù)雜工況要求尤為重要。

1 有限元模型的建立

采用三維繪圖軟件 Pro/E建立實(shí)體模型，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)格式.stp輸入有限元分析前處理軟件Hypermesh補(bǔ)充完善的方法建模。車架總成中的鈑金件采用抽取幾何中性面，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分的方法來(lái)建立二維面網(wǎng)格，模型的單元類型包括二維四邊形單元和三角形單元。鍛件、鑄件，先通過(guò)二維面網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，再生成三維體網(wǎng)格，模型的單元類型包括四面體單元，五面體單元和六面體單元。其余連接單元如螺栓、鉚釘，則利用剛性單元Rbe2、Rbe3和賦以材料屬性的B31單元進(jìn)行模擬，它們與質(zhì)量Masses等均為一維單元，建立的有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型

表1 車架及連接部分的材料

車架及連接部分的材料見(jiàn)表1。

2 車架剛度校核

采用非線性分析軟件 Abaqus對(duì)車架的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及幅值的變化情況進(jìn)行有限元法計(jì)算分析。

2.1 彎曲剛度

2.1.1 彎曲剛度邊界條件

結(jié)合車架的實(shí)際情況，對(duì)車架進(jìn)行彎曲剛度分析所采用的邊界條件見(jiàn)圖2。

圖2 彎曲剛度分析所采用的邊界條件

圖3 彎曲剛度位移云圖

2.1.2 彎曲剛度位移云圖

分析得到的彎曲剛度位移云圖見(jiàn)圖3。

2.1.3 彎曲剛度計(jì)算結(jié)果

式中：CB—彎曲剛度(N.m2)；

a—軸距(m)；

F—集中載荷(N)，集中載荷F大小為1000N；

h—集中載荷作用點(diǎn)處的撓度均值(m)。

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度

2.2.1 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件

對(duì)車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析所采用的邊界條件見(jiàn)圖4。

圖5 扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

2.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

分析得到的扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖見(jiàn)圖5。

2.2.3 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果

式中：CT —扭轉(zhuǎn)剛度(N·m2/°)；

T=FB，B—力臂(m)，F(xiàn)—集中載荷(N)，集中載荷F大小為1000N；

L—軸距(m)；

h—平均撓度(m)；

表3 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果

3 車架強(qiáng)度校核

綜合分析該車的工作狀況，重點(diǎn)考察純彎和后橋懸空、左后輪下降150mm、右后輪上抬220mm、前輪上抬220mm、前左、右后車輪同時(shí)懸空等扭轉(zhuǎn)工況下車架總成和懸架橫臂及橋殼應(yīng)力幅值變化。動(dòng)載系數(shù)取為1.5。

質(zhì)量載荷的處理：

（1）以汽車坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)和參照，計(jì)算和確定相應(yīng)零部件的重心，并以該重心坐標(biāo)作為主點(diǎn)(以此作為定義質(zhì)量單元的節(jié)點(diǎn))，承受重力的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為從點(diǎn)，建立一維單元Rbe3，將質(zhì)量單元分配至承受重力網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

（2）通過(guò)重心節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建質(zhì)量單元 Masses，完成質(zhì)量載荷的施加；如駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、電瓶箱、分動(dòng)器的質(zhì)量載荷等均是定義為Masses單元。

（3）重力加速度大小及方向：以汽車坐標(biāo)系中 Z軸的負(fù)方向作為重力加速度的方向，大小為g =9800mm/s2（作用于具有材料屬性—密度的單元模型上）。

3.1 純彎工況

3.1.1 純彎工況邊界條件

圖6 純彎工況下車架的邊界條件

純彎工況下車架的邊界條件見(jiàn)圖6。

3.1.2 縱梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖7

最大應(yīng)力129.6MPa，位于前橋處。

圖7 縱梁應(yīng)力結(jié)果

3.1.3 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖8

最大應(yīng)力172.7MPa，位于最前端。

圖8 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果

3.1.4 橫梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖9

最大應(yīng)力84.13MPa。

圖9 橫梁應(yīng)力結(jié)果

圖10 管梁應(yīng)力結(jié)果

3.1.5 管梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖10

最大應(yīng)力65.38MPa，位于其右側(cè)。

3.1.6 連接板應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖11

最大應(yīng)力12.18MPa。

圖11 連接板應(yīng)力結(jié)果

圖12 工字梁應(yīng)力結(jié)果

3.1.7 工字梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖12

最大應(yīng)力8.106MPa。

3.1.8 尾梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖13

最大應(yīng)力361.9MPa。

圖13 尾梁應(yīng)力結(jié)果

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況主要分為以下兩種情況考慮：工況 1：右前輪下移200mm；工況2：右后輪上抬200mm。

3.2.1 右前輪下移200mm的扭轉(zhuǎn)工況

3.2.1.1 右前輪下移 200mm的扭轉(zhuǎn)工況邊界條件見(jiàn)圖14。

圖14 右前輪下移200mm的扭轉(zhuǎn)工況邊界條件

3.2.1.2 縱梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖15，最大應(yīng)力219.2MPa，位于前橋處。

圖15 縱梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.1.3 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖16，最大應(yīng)力270.1MPa，位于最前端。

圖16 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.1.4 橫梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖17，最大應(yīng)力270.6MPa。

3.2.1.5 管梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖18，最大應(yīng)力197.4MPa，位于其右側(cè)。

圖17 橫梁應(yīng)力結(jié)果

圖18 管梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.1.6 連接板應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖19，最大應(yīng)力113.8MPa。

圖19 連接板應(yīng)力結(jié)果

3.2.1.7 工字梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖20，最大應(yīng)力71.15MPa。

圖20 工字梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.1.8 尾梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖21，最大應(yīng)力103.0MPa。

圖21 尾梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.2 右后輪上抬200mm的扭轉(zhuǎn)工況

3.2.2.1 右后輪上抬 200mm的扭轉(zhuǎn)工況邊界條件見(jiàn)圖22。

圖22 右后輪上抬200mm的扭轉(zhuǎn)工況邊界條件

3.2.2.2 縱梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖23，最大應(yīng)力203.2MPa，位于前橋處。

圖23 縱梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.2.3 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖24，最大應(yīng)力230.0MPa，位于最前端。

圖24 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.2.4 橫梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖25，最大應(yīng)力284.2MPa。

3.2.2.5 管梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖26，最大應(yīng)力186.1MPa，位于其右側(cè)。

圖26 管梁應(yīng)力結(jié)果

圖25 橫梁應(yīng)力結(jié)果

3.2.2.6 連接板應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖27，最大應(yīng)力106.9MPa。

圖27 連接板應(yīng)力結(jié)果

3.2.2.7 工字梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖28，最大應(yīng)力為72.01MPa。

3.2.2.8 尾梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖29，最大應(yīng)力為87.04MPa。

圖28 工字梁應(yīng)力結(jié)果

圖29 尾梁應(yīng)力結(jié)果

圖30 制動(dòng)工況邊界條件

3.3 制動(dòng)工況

3.3.1 制動(dòng)工況邊界條件見(jiàn)圖30

3.3.2 縱梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖31

最大應(yīng)力123.8MPa，位于前橋處。

圖31 縱梁應(yīng)力結(jié)果

圖32 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果

3.3.3 內(nèi)加強(qiáng)梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖32

最大應(yīng)力168.1MPa，位于最前端。

3.3.4 橫梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖33

最大應(yīng)力78.41MPa。

3.3.5 管梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖34

最大應(yīng)力82.89MPa，位于其右側(cè)。

3.3.6 連接板應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖35

最大應(yīng)力11.71MPa。

圖33 橫梁應(yīng)力結(jié)果

圖34 管梁應(yīng)力結(jié)果

圖35 連接板應(yīng)力結(jié)果

圖36 工字梁應(yīng)力結(jié)果

3.3.7 工字梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖36

最大應(yīng)力9.164MPa。

3.3.8 尾梁應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖37

最大應(yīng)力9.213MPa。

圖37 尾梁應(yīng)力結(jié)果

3.4 分析結(jié)果列表

將以上的純彎分析和扭轉(zhuǎn)工況的分析結(jié)果列表，見(jiàn)表4。

表4 分析結(jié)果列表

4 結(jié)論

綜上所述利用有限元的方法對(duì)車架的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及制動(dòng)工況時(shí)的剛度、強(qiáng)度的分析計(jì)算可以看出均在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。