張明楊,任愛華,孫章棟,張 楠
(湖北汽車工業(yè)學院,湖北 十堰 442000)
車輛行駛過程中,來自內外的各種載荷作用于車架上[1],其力學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行靜力學分析,提高其可靠性具有重要意義[3]。葛彥竹和張鐵山根據對車架進行靜強度分析的結果改進其結構設計,提高了車架的可靠性[4-5];吳凱佳基于對車架的靜力學分析進行優(yōu)化,減輕車架重量同時提高模態(tài)頻率[6];陳遠帆和王亮以強度分析結果為基礎,對車架優(yōu)化提高了車架可靠性同時達到輕量化的目的[7-8];周友明通過對車架進行強度分析驗證替換材料后的可靠性[9]。
上述文獻均以對車架強度的分析為可靠性驗證和優(yōu)化的依據,但設計的工況不盡相同。筆者以HyperWorks有限元軟件為分析平臺,基于垂直、左轉向和右轉向三種工況對目標車架進行靜力學分析,通過了解各工況下的應力分布從而對車架薄弱處進行優(yōu)化,使其強度滿足性能要求。
目標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構,梁與梁之間采用焊接進行連接。車架總長3 880 mm,總寬2 280 mm。
通過去除部分較小的孔、槽結構簡化車架模型[10-11],并根據企業(yè)提供網格質量標準(如表1)對車架進行網格劃分。標準焊點連接情況用殼單元處理。
表1 網格質量
最終網格劃分如圖1所示,其中網格單元數(shù)量為196 362,節(jié)點數(shù)量為193 522。
圖1 車架網格化
材料選用45鋼,其各項屬性如表2所列。
表2 材料屬性
結合車架可能面臨的實際工作情況設計三種工況環(huán)境,如表3所列。
表3 工況描述
假設使用目標車架的車輛在一般城市道路上平穩(wěn)行駛,可能產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)
結合實際情況,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為參照,建立一個用以描述約束情況的坐標系,xyz軸正方向與軟件所示全局坐標一致。
車架在垂直、左轉向和右轉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
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。
按照設計要求,設水箱質量1 000 kg,電池包及其他電器質量400 kg,通過剛性單元Rigids將其產生的載荷均布加載在車架與其接觸部分的網格節(jié)點上,如圖4。
圖3 車架載荷結構 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
進行靜力學分析,得到目標車架在垂直、左轉向、右轉向三種工況下應力云圖,如圖5所示,其中箭頭標注處為最大應力處。
圖5 車架應力云圖
三種工況下最大應力情況如表7所列。
表7 最大應力情況 /MPa
結果表明,垂直工況下最大應力小于45鋼屈服強度,左轉向工況和右轉向工況下最大應力均大于45鋼屈服強度。
為滿足車架工作時的強度需求,使車架最大應力小于材料屈服強度,通過增加x,z方向的支撐梁分擔載荷(如圖6所示),從而達到使薄弱處最大應力變小的目的。
圖6 加強筋示意圖
加裝支撐梁后,左轉向、右轉向工況應力最大處位置不變,如圖7、圖8所示。
優(yōu)化后薄弱處應力大小見表8,最大應力分別減小了38.32%和37.88%,均小于材料屈服強度,滿足性能要求。
圖7 優(yōu)化后左轉向應力云圖 圖8 優(yōu)化后右轉向應力云圖
表8 最大變化應力情況
以某物流車車架為研究對象,通過有限元軟件進行靜力學分析,發(fā)現(xiàn)僅垂直工況下車架強度滿足性能要求;在左轉向和右轉向工況下的最大應力分別為496.668 MPa和492.608 MPa,超過了材料屈服強度。采用添加支撐梁的方法對車架進行結構優(yōu)化,優(yōu)化后車架在左轉向和右轉向工況下的最大應力分別為306.354 MPa和306.001 MPa,分別減少了38.32%和37.88%,滿足了車架強度要求,增加了該車架的使用壽命。