陸昌年

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 安徽合肥 230011)

1有限元模型的建立

1.1模型的簡化預(yù)處理

該有限元分析模型是在整車的三維UG模型基礎(chǔ)上建立起來的。在建模的過程中，對(duì)整車三維模型作了一些簡化處理：①保留車架中兩根縱梁、五根橫梁以及加強(qiáng)筋等主要特征和結(jié)構(gòu)。對(duì)車架中的一些支架、穿線用的小孔、倒角和翻邊等，全部作簡化處理。②將驅(qū)動(dòng)橋中的傳動(dòng)系統(tǒng)部件簡化成載荷的形式加載在驅(qū)動(dòng)橋殼體上。③將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)中的離合器、變速箱、傳動(dòng)軸等簡化成載荷的形式加載在車架上。④將駕駛室中的儀表臺(tái)、內(nèi)飾件和座椅等，簡化成載荷的形式加載在駕駛室地板或者門板上。⑤簡化車輪，將約束加載在車橋兩端。[1]

1.2模型的生成與裝配

1.2.1零部件有限元模型的生成 將該車各個(gè)零部件的三維ug模型，導(dǎo)入hypermesh中，經(jīng)過上述簡化預(yù)處理、網(wǎng)格劃分以及賦予材料屬性等步驟后，得到對(duì)應(yīng)零部件的有限元模型。部分模型如圖1和圖2所示。

圖2 橋殼有限元模型

1.2.2有限元模型的裝配 將上述的零部件模型導(dǎo)入一起，并將每個(gè)零部件移動(dòng)到其安裝的位置后，進(jìn)行連接，最終全部裝配在一起。具體如下：①將中、后橋殼模型與后板簧模型通過剛性連接裝配在一起。然后再連接至車架上；②用剛性連接模擬U型螺栓將前橋和前鋼板彈簧裝配在一起，再連接至車架的安裝位置處；③將駕駛室中的各個(gè)鈑金件連接在一起，組裝成駕駛室骨架模型，然后再將駕駛室骨架模型安裝到車架前端相應(yīng)安裝位置處。④將車輛的最大載貨重量，均勻分散的加載在車架縱梁后半段。⑤將發(fā)動(dòng)機(jī)以及底盤零部件以載荷的形式，加載在車架的對(duì)應(yīng)安裝位置處。見圖3。

圖3 有限元整車組裝模型

2整車電測試驗(yàn)及模型修正

整車模型比較復(fù)雜，并且重卡在各種工況下，承受的載荷力非常復(fù)雜，涉及的技術(shù)領(lǐng)域比較廣泛。因此建立的有限元分析模型必須經(jīng)過試驗(yàn)的檢驗(yàn)，來確定模型是否準(zhǔn)確。只有確定模型的誤差在合理的可接受范圍內(nèi)，才能利用該模型進(jìn)行后面的進(jìn)一步分析和計(jì)算。

2.1試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所使用的儀器主要有：試驗(yàn)車輛、應(yīng)變片、信號(hào)采集儀、各種線束及接頭、電腦以及試驗(yàn)軟件等。使用上述建立的模型，先在hypermesh軟件中進(jìn)行各種情況下的試算，得到一些整車應(yīng)力應(yīng)力值比較大的位置，并再選擇一些整車結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)關(guān)注的位置，從而確定該試驗(yàn)中測點(diǎn)的布點(diǎn)位置方案，如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)位置圖

2.2測試結(jié)果

測試地點(diǎn)在一個(gè)封閉的環(huán)境中進(jìn)行，在整車滿載狀態(tài)下，測試和記錄上述試驗(yàn)方案中每個(gè)測點(diǎn)收集到的信號(hào)，并整理計(jì)算出每個(gè)布點(diǎn)位置的試驗(yàn)采集結(jié)果。將電測結(jié)果與計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.3有限元模型的修正

從表1可以看出，電測結(jié)果數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)存在一定偏差，因此需要對(duì)上述整車結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行檢查和修正：①對(duì)測點(diǎn)誤差較大的位置，重新檢查一遍其零部件模型，判斷建模過程中是否存在疏漏和誤差。②檢查有限元模型中的剛性連接處，是否出現(xiàn)應(yīng)力較大的現(xiàn)象。如果在剛性連接處的應(yīng)力較大，應(yīng)該在連接處再增加一些剛性連接來分散應(yīng)力。③檢查載荷加載處的應(yīng)力是否較大。如果是，應(yīng)該將載荷分散均勻加載。經(jīng)過上述修改和校正，計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差控制在10%以內(nèi)，有限元模型就算合格，可用于后續(xù)的分析和計(jì)算。

3整車靜動(dòng)態(tài)典型工況分析

3.1彎曲工況

彎曲工況是計(jì)算該牽引車在平直堅(jiān)硬路面、滿載貨物行駛時(shí)，前橋、中橋和后橋共計(jì)10個(gè)車輪均勻落地不懸空時(shí)，整車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布[2]。在這種工況下，整車的受力一般比較均勻，最大應(yīng)力也會(huì)遠(yuǎn)低于整車結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度。利用上述校正后的整車模型，對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算，得到應(yīng)力的最大值為102MPa，位于車架后端，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力值最大位置

3.2扭轉(zhuǎn)工況

當(dāng)整車行駛在較差的道路時(shí)，會(huì)不可避免的出現(xiàn)某一個(gè)或幾個(gè)輪胎懸空的情況，此時(shí)整車結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)并承受不對(duì)稱的載荷[3]，這種情況比較危險(xiǎn)，整車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也會(huì)比較大。經(jīng)過計(jì)算在該工況下，最大應(yīng)力達(dá)到206MPa，位于車架的右側(cè)，如圖6所示。

圖6 整車扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力位置

3.3緊急制動(dòng)工況

重型牽引車載貨質(zhì)量大，在緊急制動(dòng)時(shí)整車結(jié)構(gòu)會(huì)承受很大的慣性力，并且此時(shí)整車結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)較大的前傾變形[4]。計(jì)算結(jié)果顯示：在該工況下，整車有限元模型上的最大應(yīng)力達(dá)到115MPa，位于整車前端，如圖7所示。

圖7 制動(dòng)時(shí)整車應(yīng)力最大位置

3.4緊急轉(zhuǎn)彎工況

重型牽引車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于其載貨量大，會(huì)受到一個(gè)非常大的離心力，相當(dāng)于整車結(jié)構(gòu)上作用了一個(gè)橫向的力，這個(gè)橫向加速度的大小以0.4g來計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，應(yīng)力值最大達(dá)到118MPa，位于車架右側(cè)縱梁前端位置處，詳見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)彎時(shí)應(yīng)力值最大位置

4整車模態(tài)分析

整車結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)完成后，就會(huì)有其固有的頻率，當(dāng)與外部的激振頻率相同或接近的時(shí)候，整車結(jié)構(gòu)就會(huì)共振，從而損壞車輛。因此車輛設(shè)計(jì)完成后，需要分析計(jì)算其結(jié)構(gòu)的固有頻率[5]。文章利用上述整車結(jié)構(gòu)模型，對(duì)整車進(jìn)行模態(tài)分析，得到的分析結(jié)果見表2。

表2 模態(tài)頻率及振型

從表2可知該車結(jié)構(gòu)的固有頻率，將其與常見的車輛激振頻率作對(duì)比，看是否有接近或者相同的頻率。經(jīng)過與常見路面激振頻率、傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和動(dòng)力總成的振動(dòng)頻率等作對(duì)比，該車型的固有頻率可以有效的避開常見激振源的頻率。

5小結(jié)

文章在車輛的設(shè)計(jì)階段，建立了整車的結(jié)構(gòu)模型，并用電測試驗(yàn)值對(duì)整車模型進(jìn)行了修正，然后分析整車在各種工況下的應(yīng)力分布及固有頻率，判斷車輛在設(shè)計(jì)過程中是否存在問題，從而有效的避免將設(shè)計(jì)階段的問題帶入制造階段。