魏文濤，周盼

（211167 江蘇省 南京市 南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院）

0 引言

公路運(yùn)輸自卸車有著非常多的應(yīng)用場合，在建筑業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中擔(dān)任著不可或缺的重要角色。主車架作為整車的框架結(jié)構(gòu)，連接起自卸車的各部件，承擔(dān)著全部的載荷，故其力學(xué)性能對(duì)整車的承載能力與安全性有重要影響。國內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了諸多相關(guān)研究。銀俊鷹[1]使用SolidWorks Simulation 有限元分析軟件對(duì)3304 礦用自卸車的車架進(jìn)行了不同工況下的強(qiáng)度分析計(jì)算。馬娜[2]等人運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)自卸車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低了車架最大應(yīng)力。劉斌[3]對(duì)礦用自卸車車架進(jìn)行有限元分析，對(duì)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了新車架結(jié)構(gòu)。劉倫倫[4]等人創(chuàng)建了一種輕量化車架結(jié)構(gòu)，對(duì)其靜應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算以及模態(tài)特性分析。

本文首先設(shè)計(jì)了一款中型自卸車主車架，并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模。然后對(duì)主車架進(jìn)行了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況下的靜強(qiáng)度校核與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

1 主車架設(shè)計(jì)

采用邊梁式車架，該車架結(jié)構(gòu)由2 根縱梁與連接2 根縱梁的若干橫梁組成，其上安裝各種附件十分簡便，車輛的改裝變形也很容易[5]。

設(shè)計(jì)車架前部寬度應(yīng)考慮車輛總寬、發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝和前輪空間，車架后部寬度主要受限于后輪的寬度，車架寬度還影響著車輛的橫向穩(wěn)定性。我國規(guī)定邊梁式中型載貨汽車車架寬度應(yīng)為864±5 mm。本車車架寬度取866 mm。

根據(jù)本車的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮各種截面的特點(diǎn)，確定該車主車架縱梁選用上下翼面平直等高等寬的“C”型Q235 鋼，該結(jié)構(gòu)抗彎剛度較高，同時(shí)便于安裝其他部件。

橫梁的作用不僅是將2 根橫梁用鉚釘加以連接，每根橫梁具有各自作用。第1 根為前橫梁，用于支撐車頭和水箱；第2 根為工字梁，用于支撐前車橋；第3 根為向下凹陷的元寶梁，用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝高度；第4 根既需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝高度，同時(shí)要支撐前車橋，故設(shè)計(jì)為比第3 根更粗的元寶梁；第5 根和第6 根為工字梁，分布于上裝機(jī)構(gòu)前后，用于支撐上裝機(jī)構(gòu)；第7根和第8 根為工字梁，用于支撐后橋；第9 根為工字梁，用于支撐貨箱后鉸點(diǎn)。

2 主車架建模

主車架總長6 690 mm，縱梁高300 mm，寬866 mm，為“C”型槽鋼，厚度7 mm。前后橫梁為厚度10 mm 包裹住縱梁的“C”型槽鋼，中間橫梁均為厚度5 mm 的“工”字型槽鋼；第3、4根梁為向下凹陷的元寶梁；第1 根橫梁前方布置安裝車頭的鉸支座；第2 根和第5 根橫梁中間布置車頭后支撐點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)支撐點(diǎn)。在第2、第4、第7、第8 根橫梁左右兩側(cè)縱梁腹板外部布置懸架支撐座。主車架模型見圖1。

圖1 主車架模型圖Fig.1 Model of main frame

3 靜力學(xué)特性分析

3.1 主車架有限元模型的建立

本文以HyperWorks 有限元軟件為分析平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析。對(duì)主車架主要采用六面體單元建立有限元模型，共劃分763 246 個(gè)單元，見圖2 和圖3。

圖2 主車架有限元模型Fig.2 Finite element model of main frame

圖3 主車架有限元模型局部圖Fig.3 Local display of finite element model of main frame

3.2 材料屬性

主車架使用B610L 鋼，楊氏模量為2.1×105 MPa，泊松比0.3，密度7 890 kg/m3。材料屈服極限為500 MPa。

為防止車架在使用過程中遇到特殊情況導(dǎo)致應(yīng)力過大而造成結(jié)構(gòu)破壞，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力。許用應(yīng)力等于屈服極限除以安全系數(shù)。彎曲工況下，安全系數(shù)取2，計(jì)算許用應(yīng)力為250 MPa。由于自卸車不常在扭轉(zhuǎn)工況下工作，故扭轉(zhuǎn)工況時(shí)安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力為333 MPa。

3.3 主車架彎曲工況靜力學(xué)分析

主車架是整車最主要的承載構(gòu)件，本文校核其靜載荷。主車架下方由車橋和鋼板彈簧支撐，上方承載車頭、動(dòng)力與傳動(dòng)總成、副車架及其上的貨物以及其他零件。忽略一些影響較小的部件以及自重，剩余的載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式加載在主車架對(duì)應(yīng)位置上。車頭按照1 000 kg 估算，由主車架上的2 個(gè)支撐點(diǎn)和前部2 個(gè)鉸支座支撐，各加載2 450 N 的力，平均分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其中鉸支座的力只分布在內(nèi)孔下半圓內(nèi)表面上；根據(jù)選型結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器按照總質(zhì)量1 000 kg 估算，在主車架4 個(gè)支撐點(diǎn)加載各2 450 N 的力，平均分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上；副車架總長4 160 mm，對(duì)主車架以均布載荷的方式加載在主車架后半部分上面每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其額定裝載量8 805 kg，貨箱和副車架總質(zhì)量2 000 kg，故總載荷105 889 N。中間4 個(gè)車橋支撐點(diǎn)下地面全約束，前后4 個(gè)車橋支撐點(diǎn)約束5 個(gè)自由度，沿縱梁方向的移動(dòng)不約束。主車架的自重以重力卡片形式添加。主車架載荷與約束見圖4。

圖4 主車架載荷與約束圖Fig.4 Load and constraint of main frame

求解完成后，查看主車架的應(yīng)力云圖和位移云圖見圖5 和圖6。

圖5 主車架應(yīng)力云圖Fig.5 Stress of main frame

圖6 主車架位移云圖Fig.6 Displacement of main frame

可以看出，主車架上應(yīng)力較大區(qū)域主要發(fā)生在中后部，主要由副車架的載荷造成，出現(xiàn)在第5，6 根橫梁與縱梁連接位置附近的縱梁上，以及后橋支撐座與縱梁連接處的縱梁上，最大應(yīng)力值189.8 MPa，最大位移2.36 mm。局部應(yīng)力圖見圖7 和圖8。

圖7 主車架局部應(yīng)力圖Fig.7 Local stress of main frame

圖8 主車架局部應(yīng)力圖Fig.8 Local stress of main frame

經(jīng)過分析，主車架橫梁與縱梁連接處應(yīng)力過大是主車架橫梁末端應(yīng)力突變導(dǎo)致，這是由結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。車橋支撐座根部應(yīng)力過大是因?yàn)檐嚇蛑沃嚨闹亓?，載荷極大，而力均由連接車橋支撐座的縱梁承擔(dān)，該處縱梁腹板內(nèi)外側(cè)也均沒有設(shè)置加強(qiáng)板，故外側(cè)與車橋支撐座連接處出現(xiàn)應(yīng)力過大的現(xiàn)象。不過，主車架上最大應(yīng)力低于許用應(yīng)力很多，因此，彎曲工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3.4 主車架扭轉(zhuǎn)工況靜力學(xué)分析

自卸車行駛時(shí)，可能會(huì)遇到凹凸不平的路面，導(dǎo)致一個(gè)車輪懸空，此時(shí)主車架會(huì)受到扭轉(zhuǎn)。由于后軸的軸荷分配大于前軸，滿載時(shí)貨物質(zhì)量很大且主要由后軸承受，故應(yīng)當(dāng)研究某一側(cè)后輪懸空時(shí)的扭轉(zhuǎn)工況。

主車架受扭時(shí)，載荷均不發(fā)生改變，但由于一側(cè)后輪懸空，故該車輪對(duì)應(yīng)懸架支撐座處的約束會(huì)發(fā)生改變。本文選取左后輪懸空，將左后輪對(duì)應(yīng)的懸架支撐座處約束改變?yōu)椴患s束，即該處釋放全部自由度[6]。

求解完成后，查看應(yīng)力云圖和位移云圖，見圖9 和圖10。

圖9 主車架應(yīng)力云圖Fig.9 Stress of main frame

圖10 主車架位移云圖Fig.10 Displacement of main frame

從圖9 中可以看出，主車架最大應(yīng)力達(dá)到493.3 MPa，遠(yuǎn)超出了許用應(yīng)力，最大位移為3.56 mm。研究發(fā)現(xiàn)，第6 根、第7 根、第8 根橫梁和右側(cè)縱梁連接處應(yīng)力極高，其次右側(cè)懸架支撐座與縱梁連接處應(yīng)力也較高。原因是后縱梁與橫梁較薄，失去左側(cè)支撐后，右側(cè)車架結(jié)構(gòu)無法承受后橋傳來的巨大載荷，從而在橫梁與縱梁連接處以及懸架支撐座與縱梁連接處產(chǎn)生極大的應(yīng)力。最大應(yīng)力位置的局部圖見圖11 和圖12。

圖11 主車架局部應(yīng)力圖Fig.11 Local stress of main frame

圖12 主車架局部應(yīng)力圖Fig.12 Local stress of main frame

4 主車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)主車架扭轉(zhuǎn)工況分析結(jié)果，針對(duì)薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，把第6，7，8 根橫梁換成腰厚15 mm 的工字鋼，同時(shí)，在應(yīng)力最大的第7 根橫梁所在位置的縱梁外側(cè)安裝厚度5 mm，高度300 mm，長度600 mm 的加強(qiáng)板，見圖13。

圖13 主車架優(yōu)化后局部模型圖Fig.13 Local part of optimized main frame

結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后再次對(duì)扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析。施加相同的載荷與約束進(jìn)行求解，得到車架優(yōu)化后的應(yīng)力和位移云圖見圖14 和圖15。

圖14 主車架優(yōu)化后應(yīng)力圖Fig.14 Stress of optimized main frame

圖15 主車架優(yōu)化后位移圖Fig.15 Displacement of optimized main frame

由圖14 可以看到，最大應(yīng)力已經(jīng)降至270.1 MPa，最大位移降至3.07 mm，最大應(yīng)力位置與優(yōu)化前基本一致，但最大應(yīng)力降低了45.2%。該車架扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力已經(jīng)低于許用應(yīng)力333 MPa，故結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

5 主車架輕量化設(shè)計(jì)

從圖14 可以看出，主車架的橫梁中部應(yīng)力很小，甚至小于10 MPa，但該處使用了大量的材料，所以考慮在每根橫梁中央開2 個(gè)圓孔，以減小主車架的質(zhì)量，如圖16 所示。

圖16 主車架輕量化模型圖Fig.16 Lightweight model of optimized main frame

為了驗(yàn)證主車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否因?yàn)檩p量化嚴(yán)重下降，將輕量化后的模型重新進(jìn)行力學(xué)分析，包括彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，建立有限元模型后添加相同的載荷與約束，得到彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果，分別如圖17-圖20 所示。

圖17 彎曲工況下輕量化主車架應(yīng)力圖Fig.17 Stress of lightweight main frame under bending condition

圖18 彎曲工況下輕量化主車架位移Fig.18 Displacement of lightweight main frame under bending condition

圖19 扭轉(zhuǎn)工況下輕量化主車架應(yīng)力圖Fig.19 Stress of lightweight main frame under torsion condition

圖20 扭轉(zhuǎn)工況下輕量化主車架位移圖Fig.20 Displacement of lightweight main frame under torsion condition

可以看出，主車架輕量化后，彎曲工況時(shí)最大應(yīng)力增加為235.5 MPa，最大位移降至2.27 mm，扭轉(zhuǎn)工況時(shí)最大應(yīng)力增加至281.0 MPa，最大位移減小為3.10 mm。最大應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，故輕量化后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍滿足要求。

6 主車架優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

主車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化后應(yīng)力與位移變化情況見表1。

表1 主車架優(yōu)化結(jié)果表Tab.1 optimization results of main frame

主車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化后，不論彎曲工況還是扭轉(zhuǎn)工況，強(qiáng)度均低于許用應(yīng)力。彎曲工況時(shí)，由于強(qiáng)度滿足要求，則沒有針對(duì)該工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，故輕量化后最大應(yīng)力有所上升，但仍低于許用應(yīng)力，同時(shí)扭轉(zhuǎn)時(shí)的最大應(yīng)力和兩種工況下的最大位移均有下降,說明主車架優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)降低了車重，并且節(jié)約了材料。

7 結(jié)語

本文首先對(duì)自卸車主車架進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及三維模型的建立。隨后對(duì)設(shè)計(jì)主車架分別進(jìn)行彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的靜力學(xué)分析，分析結(jié)果可知，扭轉(zhuǎn)工況下主車架最大應(yīng)力超過了許用應(yīng)力。對(duì)車架上的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，找出最大應(yīng)力位置并研究產(chǎn)生應(yīng)力過大的原因。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加薄弱位置的材料厚度并增加加強(qiáng)板。再次分析可以看出最大應(yīng)力下降明顯，低于許用應(yīng)力。當(dāng)彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況均滿足強(qiáng)度要求后再進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在主車架縱梁中心的應(yīng)力極小區(qū)域開孔，以減少材料使用量，并對(duì)其進(jìn)行彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的靜力學(xué)分析，結(jié)果顯示強(qiáng)度仍然滿足要求，從而完成了主車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。