耿磊，唐公明，王敏，樊博成

徐工汽車事業(yè)部技術(shù)中心，江蘇徐州 221000

0 引言

車架作為整車的載體，是發(fā)動機(jī)、駕駛室、變速箱以及底盤懸架的關(guān)鍵支撐部件，在實(shí)際工作中不僅承受車輛各總成和運(yùn)載貨物的載荷，還要承受來自復(fù)雜路況下的沖擊載荷[1]。所以車架性能的優(yōu)劣直接影響整車的可靠性能。

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展以及有限元分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，車架結(jié)構(gòu)分析精度得到極大提升。李成林[2]以某半掛車車架為研究對象，通過有限元分析方法，完成了半掛車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)工作；王超[3]運(yùn)用有限元分析軟件對載貨車車架進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后車架可靠性得到較大提升；李鐵鐵等[4]通過有限元靜力分析法，完成了商用車車架對比優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)車架輕量化目標(biāo)的同時(shí)，保證了車架可靠性；胡銳[5]基于有限元分析方法，對8×4重型載貨車車架進(jìn)行輕量化仿真，在滿足車架強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提下，減重達(dá)到10%，大幅度降低了車架的質(zhì)量。

本文的研究源于某混凝土攪拌運(yùn)輸車試驗(yàn)場路試第三橫梁開裂問題，如圖1所示。

圖1 第三橫梁開裂位置

為解決第三橫梁斷裂問題，通過試驗(yàn)場采集車架風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變載荷，確定造成橫梁開裂的路況，繼而明確車架靜力仿真分析邊界，基于該邊界，運(yùn)用有限元分析方法，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，改進(jìn)后的橫梁強(qiáng)度得到顯著提升，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 車架應(yīng)變采集及分析

1.1 直角應(yīng)變計(jì)應(yīng)力計(jì)算原理

直角應(yīng)變計(jì)示意[6]如圖2所示。

圖2 直角應(yīng)變計(jì)示意

最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ2計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：ε0、ε45°、ε90°為測得的應(yīng)變；E為彈性模量；μ為泊松比。

對于塑性材料，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，其等效應(yīng)力為：

(3)

1.2 車架應(yīng)變采集

本試驗(yàn)針對車架風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變采集，應(yīng)變計(jì)選用三向直角應(yīng)變計(jì)及單向應(yīng)變計(jì)，其中第三橫梁測點(diǎn)6、7選用三向直角應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變計(jì)0°方向沿裂紋垂向)，第四橫梁測點(diǎn)8、9選用單向應(yīng)變計(jì)，貼片方向與三橫梁應(yīng)變計(jì)0°方向一致，縱梁測點(diǎn)1至5選用單向應(yīng)變計(jì)，貼片方向沿整車坐標(biāo)系X向。測點(diǎn)位置信息如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)位置信息

其中第三橫梁測點(diǎn)6、7貼片位置如圖4和圖5所示。

圖4 測點(diǎn)6貼片位置

圖5 測點(diǎn)7貼片位置

1.3 車架應(yīng)變采集數(shù)據(jù)分析

1.3.1 車架縱梁應(yīng)力分析

對縱梁風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷分析處理，縱梁測點(diǎn)應(yīng)變譜如圖6所示。由單向應(yīng)力計(jì)算公式σ=E·ε，則縱梁測點(diǎn)應(yīng)力分布見表1。

圖6 縱梁測點(diǎn)應(yīng)變譜

表1 縱梁測點(diǎn)應(yīng)力分布 單位:MPa

由表1可知，縱梁測點(diǎn)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于縱材料屈服極限500 MPa，各測點(diǎn)安全系數(shù)均高于2.0，縱梁開裂風(fēng)險(xiǎn)較低。

1.3.2 車架橫梁應(yīng)力分析

對橫梁風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷分析處理，如圖7所示。橫梁測點(diǎn)最大應(yīng)變均出現(xiàn)在乙扭路，且乙扭路橫梁應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他路面，圖8為丙扭及乙扭路面的應(yīng)變示意。

圖7 橫梁測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)

圖8 丙扭及乙扭路面的應(yīng)變示意

基于偽損傷計(jì)算法，對橫梁風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行偽損傷計(jì)算，得到偽損傷分布見表2。發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)乙扭路偽損傷明顯高于其他路面，表明乙扭路對車架三四橫梁造成的損傷起主導(dǎo)作用。

表2 橫梁測點(diǎn)偽損傷分布

根據(jù)最大及最小主應(yīng)力計(jì)算公式，利用第四強(qiáng)度理論計(jì)算三向應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)等效應(yīng)力。

測點(diǎn)6和7的等效應(yīng)力時(shí)域曲線如圖9和圖10所示。測點(diǎn)6及測點(diǎn)7的等效應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在乙扭路，接近第三橫梁材料屈服500 MPa，其安全系數(shù)低于1.2，而其他路段安全系數(shù)均高于2.0，根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞理論，安全系數(shù)高于2.0，結(jié)構(gòu)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較低，結(jié)合乙扭路相對較高的偽損傷，推斷乙扭路是造成第三橫梁開裂的風(fēng)險(xiǎn)路面。

圖9 測點(diǎn)6的等效應(yīng)力時(shí)域曲線

圖10 測點(diǎn)7的等效應(yīng)力時(shí)域曲線

2 仿真分析邊界的確定

由第1節(jié)可知，乙扭路是致使第三橫梁開裂的風(fēng)險(xiǎn)路面，為獲取在乙扭路行駛時(shí)，車架第三橫梁測點(diǎn)達(dá)到最大應(yīng)變時(shí)車輪Z向位移，以此作為整車結(jié)構(gòu)仿真的邊界。經(jīng)多次駐車靜態(tài)采集，發(fā)現(xiàn)單側(cè)雙前輪及對角雙后輪同時(shí)在梯形塊上，此時(shí)橫梁測點(diǎn)應(yīng)變最大，同時(shí)雙前輪及對角后雙輪均抬高200 mm，如圖11所示。

圖11 乙扭路下測點(diǎn)應(yīng)變峰值時(shí)車身姿態(tài)

3 車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化分析

3.1 車架強(qiáng)度分析

本文采用有限元軟件建立該車架模型，車架主體采用四邊形殼單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為10 mm，大質(zhì)量件以Mass+RB2單元模擬，車架主體材料為610 L，其有限元模型如圖12所示。

圖12 車架有限元模型

由第2節(jié)獲得的車架靜力仿真邊界。經(jīng)計(jì)算，第三橫梁測點(diǎn)等效應(yīng)力云圖如圖13所示，其最大等效應(yīng)力試驗(yàn)仿真對比分析見表3。

圖13 第三橫梁測點(diǎn)等效應(yīng)力云圖

表3 第三橫梁測點(diǎn)試驗(yàn)仿真對比分析 單位:MPa

由表3可知，第三橫梁測點(diǎn)最大等效應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值吻合度達(dá)到97%，測點(diǎn)7最大等效應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值吻合度達(dá)到99%，吻合度較高，證明該車架仿真模型有較高的精度。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為降低第三橫梁應(yīng)力，提升車架可靠性，對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。第三橫梁上連接板由單側(cè)4孔位改為6孔位，三橫梁下翼面加強(qiáng)板由一層改為兩層，第四橫梁上連接板由單側(cè)8孔位改為12孔位，四橫梁下翼面加強(qiáng)板由一層改為兩層，并減小第四橫梁上下翼面切口，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖14和圖15所示。

圖14 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖15 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后第三橫梁等效應(yīng)力云圖如圖16所示，改進(jìn)前后仿真結(jié)果對比見表4。

圖16 優(yōu)化后第三橫梁等效應(yīng)力云圖

表4 第三橫梁改進(jìn)前后仿真結(jié)果對比

分析結(jié)果表明：較原方案，改進(jìn)后第三橫梁應(yīng)力大幅降低，安全系數(shù)由原不足1.2，提升至1.4。經(jīng)新一輪試驗(yàn)驗(yàn)證，車架橫梁未發(fā)生斷裂，證明改進(jìn)方案可靠。

4 結(jié)論

本文針對某混凝土攪拌運(yùn)輸車試驗(yàn)場第三橫梁開裂問題，通過試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真優(yōu)化，最終得出如下結(jié)論：

(1)證實(shí)乙扭路是造成該橫梁開裂的風(fēng)險(xiǎn)路面，明確了仿真分析邊界。

(2)對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升了車架可靠性，經(jīng)驗(yàn)證，第三橫梁未再開裂。

本文針對混凝土攪拌運(yùn)輸車橫梁優(yōu)化改進(jìn)分析的方法和流程對其他類型工程車車架可靠性研究具有一定指導(dǎo)意義，為工程車車架試驗(yàn)場結(jié)構(gòu)問題改進(jìn)工作提供了一種思路。