張明楊，任愛華，孫章棟，張 楠

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

車輛行駛過程中，來自內(nèi)外的各種載荷作用于車架上[1]，其力學(xué)性能對整車的承載能力和安全性有重要影響[2]，因此利用有限元法對車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，提高其可靠性具有重要意義[3]。葛彥竹和張鐵山根據(jù)對車架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的結(jié)果改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了車架的可靠性[4-5]；吳凱佳基于對車架的靜力學(xué)分析進(jìn)行優(yōu)化，減輕車架重量同時提高模態(tài)頻率[6]；陳遠(yuǎn)帆和王亮以強(qiáng)度分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對車架優(yōu)化提高了車架可靠性同時達(dá)到輕量化的目的[7-8]；周友明通過對車架進(jìn)行強(qiáng)度分析驗證替換材料后的可靠性[9]。

上述文獻(xiàn)均以對車架強(qiáng)度的分析為可靠性驗證和優(yōu)化的依據(jù)，但設(shè)計的工況不盡相同。筆者以HyperWorks有限元軟件為分析平臺，基于垂直、左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向三種工況對目標(biāo)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過了解各工況下的應(yīng)力分布從而對車架薄弱處進(jìn)行優(yōu)化，使其強(qiáng)度滿足性能要求。

1 有限元模型建立

目標(biāo)車架由十根長梁與若干短梁接合而成，屬于綜合式車架，車架梁屬于矩形管結(jié)構(gòu)，梁與梁之間采用焊接進(jìn)行連接。車架總長3 880 mm，總寬2 280 mm。

1.1 網(wǎng)格劃分

通過去除部分較小的孔、槽結(jié)構(gòu)簡化車架模型[10-11]，并根據(jù)企業(yè)提供網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(如表1)對車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。標(biāo)準(zhǔn)焊點連接情況用殼單元處理。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量

最終網(wǎng)格劃分如圖1所示，其中網(wǎng)格單元數(shù)量為196 362，節(jié)點數(shù)量為193 522。

圖1 車架網(wǎng)格化

1.2 定義材料屬性

材料選用45鋼，其各項屬性如表2所列。

表2 材料屬性

2 典型工況分析

2.1 預(yù)設(shè)工況

結(jié)合車架可能面臨的實際工作情況設(shè)計三種工況環(huán)境，如表3所列。

表3 工況描述

假設(shè)使用目標(biāo)車架的車輛在一般城市道路上平穩(wěn)行駛，可能產(chǎn)生的加速度和選用的安全系數(shù)見表4所列。

表4 給定系數(shù)

2.2 創(chuàng)建約束

結(jié)合實際情況，在車架懸掛和板簧處創(chuàng)建約束，以圖3中有限元軟件的全局坐標(biāo)為參照，建立一個用以描述約束情況的坐標(biāo)系，xyz軸正方向與軟件所示全局坐標(biāo)一致。

車架在垂直、左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向三種工況下的約束情況見表5所列。

表5 約束情況

添加約束位置如圖2中箭頭指示位置所示。

圖2 約束位置描述

2.3 分布載荷

如圖3所示，車架所受載荷主要來自于水箱、電池包及其他電器。

按照設(shè)計要求，設(shè)水箱質(zhì)量1 000 kg，電池包及其他電器質(zhì)量400 kg，通過剛性單元Rigids將其產(chǎn)生的載荷均布加載在車架與其接觸部分的網(wǎng)格節(jié)點上，如圖4。

圖3 車架載荷結(jié)構(gòu) 圖4 車架載荷

三種工況下車架載荷如表6所列。

表6 不同工況下車架載荷

3 計算結(jié)果與分析

進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到目標(biāo)車架在垂直、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向三種工況下應(yīng)力云圖，如圖5所示，其中箭頭標(biāo)注處為最大應(yīng)力處。

圖5 車架應(yīng)力云圖

三種工況下最大應(yīng)力情況如表7所列。

表7 最大應(yīng)力情況 /MPa

結(jié)果表明，垂直工況下最大應(yīng)力小于45鋼屈服強(qiáng)度，左轉(zhuǎn)向工況和右轉(zhuǎn)向工況下最大應(yīng)力均大于45鋼屈服強(qiáng)度。

4 優(yōu)化設(shè)計

為滿足車架工作時的強(qiáng)度需求，使車架最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，通過增加x,z方向的支撐梁分擔(dān)載荷(如圖6所示)，從而達(dá)到使薄弱處最大應(yīng)力變小的目的。

圖6 加強(qiáng)筋示意圖

加裝支撐梁后，左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力最大處位置不變，如圖7、圖8所示。

優(yōu)化后薄弱處應(yīng)力大小見表8，最大應(yīng)力分別減小了38.32%和37.88%，均小于材料屈服強(qiáng)度，滿足性能要求。

圖7 優(yōu)化后左轉(zhuǎn)向應(yīng)力云圖 圖8 優(yōu)化后右轉(zhuǎn)向應(yīng)力云圖

表8 最大變化應(yīng)力情況

5 結(jié) 語

以某物流車車架為研究對象，通過有限元軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)僅垂直工況下車架強(qiáng)度滿足性能要求；在左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向工況下的最大應(yīng)力分別為496.668 MPa和492.608 MPa，超過了材料屈服強(qiáng)度。采用添加支撐梁的方法對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后車架在左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向工況下的最大應(yīng)力分別為306.354 MPa和306.001 MPa，分別減少了38.32%和37.88%，滿足了車架強(qiáng)度要求，增加了該車架的使用壽命。