王成

摘 要：汽車工業(yè)屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，如何設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越、安全可靠的產(chǎn)品，一直是各個(gè)企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。文章根據(jù)有限元理論，以某公司生產(chǎn)的工程車輛邊梁式車架為研究對(duì)象，分析其靜態(tài)特性，以期為后續(xù)的車架改進(jìn)提供參考依據(jù)和思路。

關(guān)鍵詞：有限元法;重型載貨汽車;車架;靜態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-086-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.029

在重載汽車中，車架尤為重要，良好的車架設(shè)計(jì)能夠以最小質(zhì)量獲得良好的強(qiáng)度與剛度，促進(jìn)車動(dòng)力性能大幅提升，同時(shí)全面改善行車的安全性、可靠性，現(xiàn)已成為改善重型貨運(yùn)車輛應(yīng)用性能的一項(xiàng)熱點(diǎn)課題[1]。

1 重型載貨汽車車架簡(jiǎn)介

文章研究的重型載貨汽車為某公司設(shè)計(jì)的水泥攪拌車，其車架在實(shí)際工況中承載著較大載荷，故選取了邊梁式車架，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車架有限元模型建立

在HyperMesh軟件中，能夠比較簡(jiǎn)單輕松地控制網(wǎng)格質(zhì)量。通過交互式進(jìn)行劃分，基于此，劃分的網(wǎng)格能夠利用調(diào)整參數(shù)的方式獲得符合要求的尺寸及分布位置。文章在綜合考慮車架尺寸等各方面因素的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格大小取值為10 mm，對(duì)于平面網(wǎng)格，自動(dòng)劃分往往可以獲得良好的劃分結(jié)果。劃分后的車架有限元模型如圖1所示，此模型共包含234 437個(gè)節(jié)點(diǎn)、230 323個(gè)單元，車架材料選用WL510。

3 車架靜態(tài)分析

3.1 車架基本載荷的確定

分析車架受力情況過程中，第一步需要科學(xué)合理地明確車架基本載荷，其承載主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)730 kg，駕駛室總成890 kg，變速箱190 kg，油箱及燃油370 kg，貨物12 000 kg，車架自重1 100 kg，人員180 kg，備胎140 kg等。

為了將上述載荷科學(xué)合理地分布于車架之上，應(yīng)公平合理地分配載荷。在處于滿載狀態(tài)時(shí)，貨物是車架承受的重要載荷，鑒于車架的結(jié)構(gòu)特征，可將貨物以均布載荷的形式進(jìn)行布設(shè)[2]。在實(shí)踐中，一般會(huì)發(fā)生超載現(xiàn)象，所以文章將滿載貨物載重量的1.5倍增添至車架上，將其載荷規(guī)范合理地轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng)，均衡地落在各個(gè)網(wǎng)格上。而變速器等相關(guān)附屬設(shè)備則直接按照集中載荷的形式進(jìn)行布設(shè)，車架的自重可按照密度的大小折算至車架上，關(guān)于載荷的分布形式，如圖1所示。

3.2 約束條件

在遵循下述原則的基礎(chǔ)上，對(duì)模型增設(shè)合適的約束條件：確保約束充分，以此抵消結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的剛體位移;避免出現(xiàn)過約束的情形，否則會(huì)出現(xiàn)反力。

文章將為車輪施予合適的約束，即車橋部位，車橋的兩端均配備了堅(jiān)固的車輪，可將其看作是剛體，所以為其添加約束是合理可行的。

3.3 滿載彎曲工況分析

為了客觀全面地評(píng)價(jià)車架剛度及產(chǎn)生于車架的應(yīng)力，科學(xué)合理地明確變形及應(yīng)力突變部位，需要對(duì)包括縱梁斷面處等在內(nèi)的一系列相關(guān)特征點(diǎn)處的擾度及應(yīng)力，展開科學(xué)合理的求解，其分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

根據(jù)變形圖能夠清晰直觀地了解到，車架最大變形為21.06 mm。其中，懸架變形尤為明顯，多達(dá)13.38 mm。由此可知，車架實(shí)際變形是7.68 mm，遠(yuǎn)小于其容許值10 mm，這意味著車架設(shè)計(jì)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)，抗變形性較強(qiáng)。

根據(jù)圖3能夠了解到，車架的最大應(yīng)力為238.1 MPa，本車架采用的是韌性強(qiáng)、硬度高的WL510鋼材材料，其屈服最大值為350 MPa，表明在滿載1.5倍的狀態(tài)下，車架并不符合危險(xiǎn)工況。因此，設(shè)計(jì)滿足要求，其應(yīng)力多低于52.9 MPa，車架有較大的優(yōu)化空間。

3.4 彎扭組合工況分析

汽車在正常行駛時(shí)，如果某車輪壓到障礙物或者落至某坑洞，車輪在處于懸空狀態(tài)或者被障礙物抬起時(shí)，車架勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的扭曲[3]。在彎扭組合工況下，車架受扭力的影響，無論是強(qiáng)度還是變形，均會(huì)發(fā)生明顯變化，這是一種相對(duì)危險(xiǎn)的工況，其分析結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，最大變形形成于縱梁左前部位，其變形值為25.09 mm，懸架變形14.94 mm，車架實(shí)際最大變形為10.15 mm。

根據(jù)應(yīng)力分布圖5可知，應(yīng)力峰值為309 MPa，出現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)號(hào)為290 768的位置，即第一橫梁和車架連接的部位，其值低于屈服極限。

3.5 緊急制動(dòng)工況分析

如圖6所示，車架最大變形出現(xiàn)在前端位置，這和汽車緊急制動(dòng)的工況相契合，最大變形為26.2 mm。其中，懸架變形為14.1 mm，由此可推導(dǎo)出車架變形為12.1 mm。

根據(jù)圖7能夠了解到，受緊急制動(dòng)的影響，車架應(yīng)力明顯增大，彎曲程度也顯著提升，最大應(yīng)力可達(dá)401.2 MPa，集中分布于吊耳模擬連周圍位置，與廠商反饋相一致。所以，應(yīng)采取有效措施提高吊耳連接位置的強(qiáng)度。

4 結(jié)語

使用有限元法參與汽車設(shè)計(jì)，可以縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約材料，在滿足各種設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，降低車架重量?？梢栽u(píng)估多種設(shè)計(jì)方案，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命以及可靠性等性能，從而確定最佳設(shè)計(jì)方案，這些對(duì)于改善車架設(shè)計(jì)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁劍.車架靜力試驗(yàn)與有限元靜力分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，22（6）：72-73.

[2] 楊永鑫，馮川.重型卡車車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2020（6）：56-59.

[3] 智淑亞，許牧天，李繼秋.基于ANSYS的車架有限元分析[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（9）：89-92.