白建坤

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510403）

車架是車輛的基體，主要用于固定發(fā)動機(jī)、傳動系、行駛系和車身等各大總成，使它們保持在正確的安裝位置上，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。因此，車架設(shè)計的優(yōu)劣不僅反映了整車的技術(shù)水平，同時也將直接影響車輛的行駛性和安全性等性能。

由于車架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力也復(fù)雜，很難用簡單的力學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的計算和應(yīng)力分析。隨著計算力學(xué)的不斷發(fā)展及高性能計算機(jī)的應(yīng)用，有限元分析作為車架設(shè)計的一個重要依據(jù)，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性變得尤為重要。

本文首先將未考慮板簧扭轉(zhuǎn)剛度及上裝重心偏載的車架模型應(yīng)力分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差較大。在此基礎(chǔ)上，將模型偏載300mm，并考慮板簧扭轉(zhuǎn)剛度，將扭曲路上整車的載荷、車架扭轉(zhuǎn)角及車架應(yīng)力的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比對，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 模型的建立

1.1 整車模型簡介

將攪拌車整車模型人為地分成3大部分：主副車架及前后臺、簧下結(jié)構(gòu)、攪拌桶拖輪及減速機(jī)。其中整車有限元模型如圖1所示：

圖1 整車FEM模型

1.2 三大部分建模

（1）主副車架及前后臺建模

整個主副車架主要由鈑金件組成，故采用二維殼單元來模擬（2a），網(wǎng)格基準(zhǔn)大小15～20mm。鑄件采用實體四面體單元模擬（2b），車架上的鉚釘及螺栓連接采用剛性單元模擬（2c），焊接采用母體延伸后共節(jié)點的方式進(jìn)行模擬，主副車架連接螺栓中的螺母采用剛性單元、螺桿采用bar單元的形式進(jìn)行模擬（2d）。

圖2 主副車架及連接模擬

（2）簧下部分建模

前懸系統(tǒng)主要由前橋、鋼板彈簧、吊耳組成。鋼板彈簧橫向采用剛性單元與彈簧單元進(jìn)行模擬，鑄件吊耳采用實體網(wǎng)格建模，前橋采用bar單元模擬，其中bar單元的尺寸按質(zhì)量等效的原則進(jìn)行設(shè)置。

后懸系統(tǒng)由后懸推力桿總成、鋼板彈簧、平衡軸支撐座組成。其中平衡懸架支座采用實體單元建模，推力桿采用bar單元模擬，bar單元釋放繞單元局部坐標(biāo)系的3個轉(zhuǎn)動自由度。平衡貫通軸采用剛性單元代替，鋼板彈簧采用1D彈簧單元進(jìn)行模擬。各類型單元的自由度設(shè)置應(yīng)與實車相一致，以保證模型的準(zhǔn)確性。

（3）攪拌桶拖輪及減速機(jī)部分建模

攪拌桶采用殼單元模擬，減速機(jī)及水箱采用質(zhì)點進(jìn)行簡化。筒壁應(yīng)采用40～50mm網(wǎng)格尺寸，滾道部分應(yīng)采用10～15mm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行細(xì)化。

2 模型約束及求解設(shè)置

2.1 邊界條件及其加載

模型的約束是針對各個輪胎的6個自由度進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置如表1所示，而載荷的模擬方式則為在相應(yīng)部件的質(zhì)心處加載相應(yīng)質(zhì)量。

表1 扭轉(zhuǎn)工況下約束的設(shè)定

關(guān)于主副車架連接及攪拌桶與拖輪連接的處理，此模型采用線性GAP單元進(jìn)行模擬。

2.2 求解設(shè)置

扭曲路對抬工況是對主副車架疲勞影響最大的工況，此工況最受關(guān)注，故只對此工況進(jìn)行求解，具體設(shè)置如表1所示。即對角輪胎沿垂向抬高200mm。

3 仿真模型改進(jìn)前結(jié)果分析

車架應(yīng)力測試過程中測點的布置如圖3所示，括號外測點表示車架右邊的測點，括號內(nèi)測點表示相應(yīng)位置左邊的測點。將有限元仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比如表2所示。

圖3 試驗測點貼片示意圖

表2 試驗值與仿真值對比 應(yīng)力單位：MPa

由表2可知，車架上應(yīng)力仿真值較試驗值均小得多，特別是平衡懸架后端的車架應(yīng)力，最大誤差達(dá)97.4%。

4 板簧扭轉(zhuǎn)及重心偏載對結(jié)果的影響

4.1 板簧扭轉(zhuǎn)剛度的影響

考慮到1D彈簧單元模擬的板簧，沒有考慮板簧實際存在的扭轉(zhuǎn)剛度，故此處將用2D殼單元板簧替代1D板簧，同時匹配2D殼單元板簧垂向高度。通過對比改進(jìn)前后圖4所示測點的應(yīng)力情況，確認(rèn)板簧扭轉(zhuǎn)剛度對車架應(yīng)力的影響。

統(tǒng)計圖4所示測點的應(yīng)力值，獲得如表3所示應(yīng)力，分析可以得出：2D殼單元板簧模型較1D彈簧單元模型（即增加板簧扭轉(zhuǎn)剛度）整體應(yīng)力均增加，絕大部點在30%以上。其中前臺附近應(yīng)力增幅最大，達(dá)到55%～80%（2#點達(dá)到379%）。后臺的應(yīng)力增幅相對較小，為30%～40%。故考慮板簧的扭轉(zhuǎn)剛度對車架前段應(yīng)力（前臺附近）影響較大，后端影響較小。

表3 有無扭轉(zhuǎn)剛度對結(jié)果影響 應(yīng)力單位：MPa

9# 51 70 37%10# 26 41 58%11# 14 18 29%12# 32 45 41%

4.2 重心偏載的影響

將上裝混凝土重心偏載300mm后，保持模型其余部分不變，統(tǒng)計圖4所示測點的應(yīng)力值，獲得如表4所示應(yīng)力，分析可以得出：重心偏載后，車架由前往后應(yīng)力增幅逐漸變大，特別是對靠背梁以后部分的影響最大，為94%～1286%。其中后臺11#與12#測點增加幅度達(dá)12倍。

圖4 測點布置圖

表4 偏載前后對結(jié)果影響 應(yīng)力單位：MPa

5 模型改進(jìn)后結(jié)果分析

同時考慮板簧的扭轉(zhuǎn)剛度（板簧由1D彈簧單元改為2D殼單元）及重心偏載的影響，將有限元模型改進(jìn)后，計算結(jié)果與試驗結(jié)果如下。

5.1 輪荷對比

扭曲路上輪荷測試如圖5所示，模型重心偏載后，試驗與仿真的輪荷的最大誤差減小為15%，特別是中后橋部分的載荷，試驗與仿真吻合較好，最大誤差為7.1%，如表5所示。

表5 扭曲路上輪荷測量 單位：kg

5.2 車架扭轉(zhuǎn)角對比

測試方法：將車停在扭曲路上，利用傾角儀測量車架上各衡量相對水平面的傾角。測試與仿真的結(jié)果對比如表6所示。

表6 濰柴滿載測點傾角 單位：度

（1）考慮板簧扭轉(zhuǎn)剛度與重心偏移后，總的扭轉(zhuǎn)角為4.8°，與試驗所測值4.7°相吻合。

（2）車架各段變形仿真與試驗基本吻合。整體各測點的試驗仿真誤差不超過0.2°。

圖5 輪荷測試圖

5.3 車架應(yīng)力對比

模型改進(jìn)后，獲取圖3所示位置的應(yīng)力，將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表7所示。

表7 試驗值與仿真值對比 應(yīng)力單位：MPa

從表7可以看出，考慮板簧扭轉(zhuǎn)及重心偏載后，試驗與仿真的結(jié)果吻合較好，除去10#應(yīng)力數(shù)值較小，誤差較大外（35.5%）,其余各處誤差均在30%以內(nèi)，相對改進(jìn)前而言，精度取得很大幅度提升。

6 結(jié)語

本文建立了考慮板簧扭轉(zhuǎn)剛度及重心偏載情況下的有限元模型，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果從三方面進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)論：

（1）板簧扭轉(zhuǎn)剛度對車架前端應(yīng)力（前臺附近）的影響較大，對后端（靠背梁以后）影響較小。

（2）重心偏載使車架由前往后應(yīng)力增幅逐漸變大，其中對靠背梁以后部分（包括后臺）的影響最大，尤其后臺部分測點增加幅度高達(dá)12倍。

（3）考慮板簧扭轉(zhuǎn)剛度（2D殼單元板簧）及重心偏載下的有限元模型準(zhǔn)確可靠。