洪雨，彭閃閃，王玲芝，許星月，劉通，尹宗軍

（安徽信息工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 2411001）

前言

貨車整車大部分的重量都由車架承受，在行駛時(shí)車架還需承受來(lái)自車內(nèi)各部件的力和力矩的作用。例面對(duì)崎嶇不平的道路，由于車輪的沖擊，車架會(huì)受到?jīng)_擊載荷，而造成相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，車內(nèi)各部件的相對(duì)位置也可能發(fā)生變化，這將不利于車體的穩(wěn)定性。因此，對(duì)于載重貨車來(lái)說(shuō)，其車架應(yīng)具有出色的抗彎、抗扭以及抗疲勞性能[1-3]。另一方面，傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)因缺少相應(yīng)的定量分析已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。隨著近二十幾年來(lái)，有限元分析理論的日益成熟以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的快速發(fā)展，CAE 分析已經(jīng)深入滲透在車架開發(fā)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全過(guò)程。周元利用CAD 軟件研究了重型柵欄式運(yùn)輸車車架在四種工況的強(qiáng)度性能、剛度性能以及前七階的模態(tài)分析，對(duì)應(yīng)例集中區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，提高車架結(jié)構(gòu)的合理性[4]。孫艷鵬利用ANSYS 軟件，對(duì)貨車車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和緊急轉(zhuǎn)彎四種工況下的靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，為研究車架穩(wěn)定性提供了許多指導(dǎo)意義[5]。為此，本文以某邊梁式貨車為研究對(duì)象，對(duì)負(fù)載彎曲、非水平扭動(dòng)、橫向彎曲以及緊急制動(dòng)四種工況下的車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

1 計(jì)算模型的建立

以載重貨車車架為研究對(duì)象，車架采用邊梁式設(shè)計(jì)，分別由2 根縱梁和6 根橫梁組成，縱梁上下表面平直。車架整體的總長(zhǎng)度設(shè)定為8400mm，總寬860mm?？v梁和橫梁的高度都是300mm，寬度都為90mm。我們采用Solidworks 對(duì)該車架進(jìn)行了三維虛擬建模。它的物理屬性如表1 所示。

表1 車架的基本物性參數(shù)

將該三維模型導(dǎo)入有限元分析ANSYS 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)車架被劃分為109297 個(gè)單元，218357 個(gè)節(jié)點(diǎn)，413723個(gè)自由度，其中接觸單元1658 個(gè)。車架的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 (a) 實(shí)體模型；(b) 網(wǎng)格劃分圖

2 車架的靜力學(xué)分析

2.1 靜止負(fù)載彎曲

滿載彎曲條件是當(dāng)車輛在滿載情況下在良好道路上以恒定速度行駛時(shí)車架對(duì)其承受的重量的響應(yīng)。滿載狀態(tài)也是卡車的限制條件。在這種情況下，如果框架符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在正常工作條件下將不可避免地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。駕駛室分布在車架前端22mm 上，其他總成加載重1000kg 均勻分布在車架后端，將固定位約束施加在車架與懸架連接的八個(gè)面上，如圖2 所示。

圖2 (a) 貨物加載位；(b) 發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱集中加力位

滿載的變形如圖3(a)所示?？蚣芪膊康淖冃巫畲?，為2.20mm，框架最大彎曲撓度正常小于10mm，因而車架在靜態(tài)滿載情況下滿足相應(yīng)性能要求。由于這種型號(hào)的車太長(zhǎng)，車架的懸掛時(shí)間太長(zhǎng)。在模擬分析中，載荷按均勻分布運(yùn)行，導(dǎo)致框架尾部變形。在實(shí)際使用中，尾端的載荷不會(huì)太大，所以實(shí)際中的變形量會(huì)更小。從內(nèi)部應(yīng)力云圖3(b)中不難看出，組件的等效應(yīng)力不超過(guò)屈服應(yīng)力（320MPa），后輪后支撐的最大應(yīng)力為144.85MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，因此框架在靜止時(shí)處于滿載狀態(tài)時(shí)滿足性能要求。

圖3 (a) 滿載位移云圖；(b) 滿載應(yīng)力云圖

2.2 靜止30%超載

若在貨箱位置多施加30%負(fù)載，從圖4（a）中可以看出，在這種情況下，框架的最大變形是2.8632mm，位于貨車尾端。最大的彎曲撓度小于10mm，所以在靜態(tài)30%超載工況下的車架滿足相應(yīng)性能要求。再來(lái)看圖4（b）的應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力也是沒有超過(guò)屈服應(yīng)力（320MPa）的部分，最大應(yīng)力值188.3MPa，小于材料的屈服極限。因此，當(dāng)車架30%超載時(shí)滿足性能要求。

圖4 (a) 30%超載位移云圖；(b) 30%超載應(yīng)力云圖

2.3 非水平扭轉(zhuǎn)

圖5 (a) 車架扭曲變形位移圖；(b) 車架扭曲變形應(yīng)力圖

當(dāng)車輛一側(cè)的輪胎進(jìn)入凹坑或遇到凸起的障礙物時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)框架最嚴(yán)重的變形。在這種扭轉(zhuǎn)條件下，汽車的應(yīng)力和變形是最差的。通常，在粗糙和不平坦的道路上，速度較低，向右前輪施加10mm 的位移，并且根據(jù)固定的位移處理其他三個(gè)輪?？蚣艿淖畲笪灰坪蛻?yīng)力云計(jì)算如圖5 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在扭曲變形工況下最大位移為10.192mm，發(fā)生在車架右前部；最大應(yīng)力399.3MPa，所以發(fā)生在懸架與車架連接處架依然滿足性能要求。

2.4 橫向彎曲工況

車輛行駛途中突然急轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，框架承受橫向載荷。以緊急右轉(zhuǎn)限制狀態(tài)例，轉(zhuǎn)彎半徑按10m 計(jì)算。前輪采用固定約束，在滿載條件下應(yīng)用2.5m/s2的橫向加速度。相應(yīng)的位移和應(yīng)力云如下圖 6 所示。最大位移為17.891mm，發(fā)生在車架末端；最大應(yīng)力為148.8MPa，發(fā)生在前懸架與元寶梁連接處，滿足車架性能要求。

圖6 (a) 橫向彎曲位移云圖；(b) 橫向彎曲應(yīng)力云圖

2.5 緊急制動(dòng)工況

車輛在緊急制動(dòng)時(shí)，車架會(huì)受到各部分的載荷與縱向產(chǎn)生的慣性力的作用。滿載緊急制動(dòng)時(shí)，考慮前后車輪完全抱死的情況，附著系數(shù)取φ=0.7，制動(dòng)時(shí)的最大減速度為0.7m/s，車架位移云圖和應(yīng)力云圖如圖7 所示。在這種情況下，框架的最大變形為2.2025mm，框架的最大彎曲撓度通常小于10mm，所以該車架在靜態(tài)滿載工況下滿足性能要求。等效應(yīng)力沒有超過(guò)屈服應(yīng)力（493MPa），最大應(yīng)力114.8MPa，還是出現(xiàn)在左后輪后支撐處，依然小于材料的屈服極限，因此車架滿足性能要求。

圖7 (a) 緊急制動(dòng)位移云圖；(b) 緊急制動(dòng)應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

采用Solidworks 軟件繪制貨車車架的三維模型。同時(shí)，采用ANSYS workbench 有限元分析軟件分析了框架四種典型工況的靜態(tài)條件，包括承載、扭轉(zhuǎn)與彎曲情況，得到了各種工況下的變形和應(yīng)力分布情況，結(jié)果顯示該車架在所有工況下都滿足安全性能要求。