馬錫勇，焦生杰，索雪峰，徐信芯，何 淼

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

寬體自卸車是公路施工、礦山開采、建筑施工等野外作業(yè)的運(yùn)輸車輛，其工作條件十分惡劣。車架作為寬體自卸車的承載基體，不但承受著駕駛室、貨箱、貨物以及自卸車中各類動(dòng)力總成的質(zhì)量，還要承受寬體自卸車在正常行駛、裝載與卸載過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩，車架的可靠性不僅關(guān)系到自卸車可否正常工作，而且還會(huì)影響自卸車的行駛安全［1－2］。因此，在寬體自卸車設(shè)計(jì)中有必要對(duì)車架進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)分析。

國內(nèi)外許多學(xué)者使用有限元法對(duì)車架進(jìn)行了強(qiáng)度分析。Ao．kazuo等詳細(xì)介紹了使用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析的仿真計(jì)算結(jié)果引導(dǎo)實(shí)際車架的設(shè)計(jì)過程。Krawczukn等初次使用全板殼單元建立了某貨車車架的有限元模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了較為全面的動(dòng)靜態(tài)分析。Kim H S詳細(xì)分析了車架在極限靜態(tài)載荷下的失效表現(xiàn)形式［3］。馮康院士發(fā)表了名為“基于變分原理的差分格式”的學(xué)術(shù)論文，提出了對(duì)于二階橢圓型方程各類邊值問題的系統(tǒng)性的離散化方法，并將它用于解決復(fù)雜的大型工程結(jié)構(gòu)問題。伊輝俊提出用殼單元離散車架及MPC單元模擬連接部分傳力的方法［4］。黃貴東在對(duì)汽車車架建模中使用梁單元和用殼單元離散的節(jié)點(diǎn)單元，組成薄壁桿系，使得在計(jì)算時(shí)能得到節(jié)點(diǎn)細(xì)部應(yīng)力分布特征和梁截面設(shè)計(jì)所需的截面內(nèi)力［5］。郝慶生通過對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)測試和礦區(qū)動(dòng)態(tài)測試，得出車架在不同工況的應(yīng)力分布以及礦車在礦區(qū)路面行駛的應(yīng)力變化情況［6］。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但由于國內(nèi)寬體自卸車噸位大都在100t以下，缺少對(duì)載重量在100t以上的大型非公路寬體自卸車的研究。因此本文針對(duì)某110t寬體自卸車車架，通過使用有限元分析軟件建立車架有限元模型，對(duì)典型工況下的車架進(jìn)行應(yīng)力分析，以此了解車架的力學(xué)性能，然后通過礦區(qū)應(yīng)變電測試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為之后進(jìn)一步對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 車架有限元模型的建立

1．1 建立幾何模型

本文采用Pro／Engineer三維建模軟件建立該110t寬體自卸車車車架的幾何模型。該車架為邊梁式車架，結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，主要由保險(xiǎn)杠、左右前縱梁、龍門梁、左右后縱梁、前圓柱梁、中圓柱梁、后圓柱梁組成。各個(gè)圓柱梁貫穿焊接在左右縱梁的外側(cè)。建立的幾何模型要能反映車架上每個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嚰軕?yīng)力分布的影響，所以原車架結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)在建模時(shí)應(yīng)盡可能地保留。但是，為了降低所建立的有限元模型節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格的數(shù)量，縮短計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，應(yīng)在不改變車架力學(xué)性能的前提下對(duì)非危險(xiǎn)區(qū)域的細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)簡化：略去不必要的圓角；以倒斜角取代倒圓角；略去工藝結(jié)構(gòu)；略去對(duì)車架應(yīng)力分布影響不大的部位的小孔和尺寸較小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)［7－10］。簡化后的車架幾何模型如圖1所示。

圖1 某110t礦用自卸車車架幾何模型

1．2 選擇單元類型與網(wǎng)格劃分

本文采用有限元分析軟件HyperWorks對(duì)該110t寬體自卸車車架模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。該寬體自卸車車架主要由鋼板焊接而成，其幾何模型多由板件組成，因此選用shell181單元模擬厚度相對(duì)于長度與寬度很小的板件，并通過設(shè)置單元截面屬性來定義板厚。其余實(shí)體部件采用solid45單元模擬；采用rigid單元模擬車架的軸連接部位［11－12］。

有限元網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到計(jì)算與分析的準(zhǔn)確度，是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵。良好的網(wǎng)格是提高仿真可信度的前提，粗糙的網(wǎng)格劃分將得到不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。所以在使用HyperMesh模塊對(duì)車架幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意：保證所有相鄰的板殼單元的頂點(diǎn)重合；使每個(gè)單元盡可能形狀規(guī)則，所劃分的每個(gè)板殼單元的翹曲量、扭曲度與縱橫比應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)；有限元模型上個(gè)別區(qū)域的板殼單元可退化為三角形單元；為了提高仿真計(jì)算的精度，在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)根據(jù)礦用自卸車車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及載荷分布特點(diǎn)，對(duì)于車架上會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中或應(yīng)力會(huì)發(fā)生突然變化的部位，劃分的網(wǎng)格密度應(yīng)大于其他部位，并使網(wǎng)格密度變化由細(xì)到粗逐漸過渡，避免網(wǎng)格尺寸上的突變［13］。有限元網(wǎng)格劃分完成后整個(gè)寬體車車架模型被劃分為238 293個(gè)節(jié)點(diǎn)、224 676個(gè)板殼單元、13 421個(gè)實(shí)體單元。

1．3 定義材料屬性

該110t寬體自卸車車架左右縱梁材料采用的是具有良好焊接性能與高韌性、高強(qiáng)度、低碳的T700鋼板，各個(gè)橫梁采用的是低合金碳素結(jié)構(gòu)Q345鋼，在HyperMesh模塊中賦予車架材料屬性，材料力學(xué)性能如表1所示［14］。

表1 車架材料力學(xué)性能

1．4 懸架系統(tǒng)建模

為了獲得該110t寬體自卸車車架在實(shí)際工作過程中較為真實(shí)準(zhǔn)確的應(yīng)力分布與變形量分布情況，要考慮到該寬體車懸掛系統(tǒng)在不同工況時(shí)的狀態(tài)。該寬體自卸車采用的是油氣懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)由6個(gè)油氣懸掛缸組成，它們以油液傳遞壓力，用氮?dú)庾鳛閺椥越橘|(zhì)，2個(gè)前懸掛缸為油氣混合式油氣彈簧，2個(gè)中懸掛缸和2個(gè)后懸掛缸為單側(cè)連通式油氣彈簧。由于油氣懸架具有非線性的剛度和阻尼特性，所以在有限元建模時(shí)很難做到完全真實(shí)的模擬。但是，在進(jìn)行寬體車車架靜態(tài)強(qiáng)度分析時(shí)，計(jì)算的是固定不變的載荷或在行駛時(shí)某一瞬間的動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮慣性、阻尼以及載荷時(shí)間的變化，因此可根據(jù)懸架位移所對(duì)應(yīng)的剛度值進(jìn)行模擬［15－16］。

對(duì)于本車懸架系統(tǒng)，在HyperMesh模塊中采用Spring單元進(jìn)行模擬支撐并在單元屬性中設(shè)置相應(yīng)的剛度值；對(duì)于油氣懸架與車架龍門梁的連接處節(jié)點(diǎn)，采用rbe3單元進(jìn)行耦合，以保證力的有效傳遞。

2 約束及加載

2．1 邊界條件處理

施加邊界條件是為了準(zhǔn)確地約束自卸車車架的剛體自由度，并模擬車架在實(shí)際工作時(shí)的狀態(tài)，在對(duì)該車架施加邊界條件時(shí)應(yīng)注意：為了消除車架結(jié)構(gòu)的剛性運(yùn)動(dòng)，在施加邊界條件時(shí)應(yīng)保證車架結(jié)構(gòu)有足夠的約束；應(yīng)避免對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行過約束，以防在仿真計(jì)算時(shí)生成實(shí)際中并不存在的力和力矩，影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于該寬體自卸車在正常行駛時(shí)是由車輪通過懸架系統(tǒng)支撐著車架，因此在施加邊界條件時(shí)，對(duì)每個(gè)彈簧單元下端節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行約束，讓寬體車車架形成簡支梁結(jié)構(gòu)。

2．2 載荷的處理

對(duì)于車架上負(fù)載質(zhì)量較大部件（貨物與貨廂、液壓油箱、駕駛室以及動(dòng)力總成）的重心位置采用一維質(zhì)量單元Mass進(jìn)行模擬，自卸車主要部件質(zhì)量如表2所示；用柔性連接rbe3單元模擬車架各個(gè)承載件與車架的連接，rbe3單元可以將主節(jié)點(diǎn)上的力和力矩分散傳遞到連接部位的連接點(diǎn)上［17］；車架自身的質(zhì)量通過在HyperMesh中設(shè)置豎直向下的重力加速度載荷進(jìn)行模擬。該110t寬體自卸車車架的有限元模型如圖2所示。

表2 110t自卸車主要裝配件質(zhì)量

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2 110t礦用車車架有限元模型

該110t寬體自卸車車架在實(shí)際工作過程中的受力與變形情況是十分復(fù)雜的，在眾多工況中，滿載彎曲工況與滿載扭轉(zhuǎn)工況對(duì)車架強(qiáng)度、剛度的影響最為顯著，其他各個(gè)工況對(duì)車架強(qiáng)度、剛度以及使用壽命的影響相對(duì)較?。?8］。因此，本文主要考慮該110t寬體自卸車在滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架的應(yīng)力分布與變形情況。

3．1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況模擬的是寬體自卸車勻速行駛在水平路面上的情況，此時(shí)車架承受的主要是彎曲載荷，車架發(fā)生彎曲變形，動(dòng)載系數(shù)取1．5。彎曲工況下，在車架各個(gè)承載件重心位置施加豎直向下的集中力，各個(gè)集中力大小等于該承載件的重力，車架自身的質(zhì)量通過設(shè)置豎直向下大小為g的重力加速度確定。

車架在滿載彎曲工況下的應(yīng)力云圖與變形云圖如圖3、4所示。從應(yīng)力云圖與變形云圖可以看出，車架的最大應(yīng)力發(fā)生在靠近中圓柱梁的縱梁附近，應(yīng)力數(shù)值為184MPa，安全系數(shù)為3．8。車架最大變形為4．3mm，出現(xiàn)在前圓柱梁附近。該車架在滿載彎曲工況下應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力。

圖3 滿載彎曲工況下車架應(yīng)力云圖

3．2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

滿載扭轉(zhuǎn)工況模擬的是寬體自卸車滿載情況下在凹凸不平的道路上低速行駛的情況，此時(shí)車架同時(shí)承受彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，車架發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)變形，動(dòng)載系數(shù)取1．5。本文在進(jìn)行有限元分析時(shí)，按照左前輪懸空對(duì)該寬體車滿載扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行模擬，在施加邊界條件時(shí)釋放前懸架系統(tǒng)的左側(cè)油氣缸對(duì)應(yīng)的彈簧下端節(jié)點(diǎn)的位移約束，同時(shí)對(duì)車架施加豎直向下大小為g的重力加速度。

圖4 滿載彎曲工況下車架變形云圖

車架在滿載扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖與變形云圖如圖5、6所示。從圖中可以看出，車架有2個(gè)最大應(yīng)力位置：一處在前懸掛缸與車架連接處，應(yīng)力值為293MPa，安全系數(shù)為2．4；一處在中圓柱梁與縱梁的連接處，應(yīng)力值為302MPa，安全系數(shù)為2．3。車架最大變形為52mm，發(fā)生在龍門梁左部。

圖5 滿載扭轉(zhuǎn)工況車架應(yīng)力云圖

圖6 滿載扭轉(zhuǎn)工況車架變形云圖

4 礦區(qū)道路條件下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

該110t寬體自卸車的工作環(huán)境十分復(fù)雜，僅僅用有限元法對(duì)車架進(jìn)行仿真分析還不能滿足車架的設(shè)計(jì)要求。為了確保該車架工作的可靠性，并驗(yàn)證所建立有限元模型的準(zhǔn)確性、合理性，本文選用數(shù)據(jù)采集分析儀、應(yīng)變片、銅線、膠帶等工具，在礦區(qū)道路條件下對(duì)滿載的110t礦用自卸車進(jìn)行不同工況下的車架應(yīng)力、應(yīng)變分布電測試驗(yàn)。在進(jìn)行應(yīng)力測量時(shí)，應(yīng)變片測試位置應(yīng)選擇在：車架主要的受力區(qū)或曾出現(xiàn)過裂紋的部位；有限元仿真計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力較大的部位；具有代表性并能提高應(yīng)力測試效率、便于后續(xù)計(jì)算與分析的部位；在礦區(qū)進(jìn)行測試時(shí)較為安全與方便并便于貼片、布線的部位。本文采用的應(yīng)變測試方法為半橋法，應(yīng)變片粘貼方向根據(jù)車架在工作時(shí)不同測點(diǎn)受到的主應(yīng)力方向決定，應(yīng)變片測點(diǎn)的布置如圖7所示。

圖7 電阻應(yīng)變片測點(diǎn)的布置

有限元仿真計(jì)算中的滿載彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況分別與礦區(qū)試驗(yàn)中的在路況較好的水平路面勻速行駛和在凹凸路面勻速行駛工況相對(duì)應(yīng)。在進(jìn)行礦區(qū)試驗(yàn)時(shí)，分別記錄當(dāng)該110t寬體自卸車以15km·h－1的車速在路面條件較好的卸料場行駛和在路面條件較差的凹凸路面行駛時(shí)各測點(diǎn)應(yīng)力的最大值。然后，將礦區(qū)試驗(yàn)中實(shí)測數(shù)值與有限元仿真中的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3、4所示。

表3 礦車滿載勻速行駛在水平路面的實(shí)測數(shù)值與計(jì)算數(shù)值對(duì)比

由對(duì)比結(jié)果可以看出，該110t寬體自卸車車架在滿載彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況下的有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差都在15%以內(nèi)。寬體自卸車在礦區(qū)的實(shí)際行駛情況比較復(fù)雜，而且在建立有限元模型時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，因此這樣的誤差范圍可以說明車架有限元模型所得的計(jì)算結(jié)果是基本可信的，從而驗(yàn)證了本文建立的車架有限元模型的正確性，為后續(xù)的車架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

表4 礦車滿載勻速行駛在凹凸路面的實(shí)測數(shù)值與計(jì)算數(shù)值對(duì)比

5 結(jié) 語

（1）從某110t寬體自卸車車架的有限元分析結(jié)果可以看出，除了前懸掛缸與車架連接處以及中圓柱梁與縱梁連接處附近出現(xiàn)應(yīng)力集中外，整個(gè)自卸車車架的應(yīng)力大小分布比較均勻而且水平不高，所以不需要對(duì)該車架的整體結(jié)構(gòu)做大的改動(dòng)，只需加強(qiáng)各個(gè)懸架與車架連接處以及中圓柱梁與縱梁連接處的強(qiáng)度，避免車架在工作過程中發(fā)生塑性變形或疲勞破壞，導(dǎo)致車架在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂。另外，可考慮適當(dāng)?shù)靥岣哕嚰軕?yīng)力較大部位的厚度（如在該處焊接加強(qiáng)板）以提高強(qiáng)度。

（2）礦區(qū)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本相吻合，說明該110t礦用自卸車車架有限元模型較為準(zhǔn)確，進(jìn)而驗(yàn)證了本文建模方法的可行性與正確性。

（3）由于該110t礦用自卸車車架的絕大多數(shù)部位安全系數(shù)較高，之后可進(jìn)一步對(duì)該車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)，以節(jié)省材料，降低車架制造成本。

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