基于ANSYS/WORKBENCH的框架車(chē)車(chē)架有限元分析

范洪亮

（上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200030）

0 前言

框架車(chē)系高技術(shù)含量的機(jī)電液一體化產(chǎn)品，液壓驅(qū)動(dòng)，各車(chē)橋液壓懸掛，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機(jī)電液控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)，由DA變量泵、液壓馬達(dá)、控制閥、傳感器及電控元件組成液壓行走系統(tǒng);懸掛系統(tǒng)為液壓懸掛，當(dāng)路面出現(xiàn)單向或雙向橫坡以及不平坦情況時(shí)，懸掛和車(chē)橋會(huì)隨機(jī)由懸掛液壓缸提供補(bǔ)償或進(jìn)行擺動(dòng)，懸掛液壓缸會(huì)根據(jù)路面情況伸出不同的高度，從而保證框架車(chē)在高低不平的路面上也能保持裝載面的水平狀態(tài)，還可以自行調(diào)整懸掛點(diǎn)的載荷，使各懸掛點(diǎn)的承載力保持相等且不變。該車(chē)共有7個(gè)車(chē)橋，除第4和5車(chē)橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋外，其余均為轉(zhuǎn)向橋。作業(yè)時(shí)，將框架車(chē)駛?cè)胴?fù)載（工件）托架下，利用升降系統(tǒng)升起負(fù)載，然后轉(zhuǎn)運(yùn)負(fù)載到指定地點(diǎn)，卸下負(fù)載即可，不需其他吊裝設(shè)備。

該車(chē)架是整車(chē)最重要的承載部件。在多種工況下，承受著復(fù)雜的空間力系。僅通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的結(jié)果難以令設(shè)計(jì)人員滿(mǎn)意。因此為確保新開(kāi)發(fā)車(chē)型的安全性和穩(wěn)定性，有必要利用有限元法對(duì)該車(chē)型車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析［1，2］，以驗(yàn)證其可靠性，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效參考。

1 有限元模型的建立

該車(chē)架為空間薄壁梁結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算方便，建立有限元模型時(shí)可適當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如忽略小孔、倒角或細(xì)小平面等非承載構(gòu)件，取約束、載荷作用點(diǎn)處為單元節(jié)點(diǎn)等［3］。如果對(duì)包含這些不重要特征的整個(gè)模型進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格，會(huì)產(chǎn)生數(shù)量巨大的單元，雖然得到的精度可能會(huì)高些，但在實(shí)際的工作中意義不大，而且會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生很高的要求并影響求解速度。所以在UG中建立框架車(chē)車(chē)架的三維模型時(shí)，應(yīng)先對(duì)汽車(chē)車(chē)架作一定的簡(jiǎn)化。

ANSYS公司旗下有兩大產(chǎn)品:一個(gè)是ANSYS/CLASSIC，另一個(gè)是ANSYS/WORKBENCH。二者都可以導(dǎo)入U(xiǎn)G的模型。但是實(shí)踐證明，復(fù)雜模型導(dǎo)入ANSYS/CLASSIC時(shí)容易導(dǎo)致模型信息丟失，需要另外對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)，這需要耗費(fèi)很多時(shí)間，而通過(guò)ANSYS/WORKBENCH導(dǎo)入的模型效率高，不容易出錯(cuò)，并且可以實(shí)現(xiàn)和UG的數(shù)據(jù)在線(xiàn)交換［4］。因此，本文中采取第二種方法導(dǎo)入U(xiǎn)G模型。在UG中建立的車(chē)架模型只是實(shí)體模型，而實(shí)際分析中針對(duì)的是有限元模型，因此需要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行單元定義和網(wǎng)格劃分［5］。

該框架車(chē)車(chē)架的主體結(jié)構(gòu)采用Q345D鋼板。材料的物理性能為:彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.27;材料的機(jī)械性能為:最小屈服強(qiáng)度是380 MPa，最小抗拉強(qiáng)度是510 MPa，最大抗拉強(qiáng)度是610 MPa。為了較好地描述復(fù)雜車(chē)架結(jié)構(gòu)和反映各關(guān)注區(qū)域的應(yīng)力分布，模型導(dǎo)入成功后，文中采用SOLID147單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示。有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為106 837，單元數(shù)為57 795。

2 有限元分析

有限元模型建立后，還需要設(shè)定邊界條件，確定載荷和仿真工況后才能進(jìn)行有限元分析。

圖1 框架車(chē)車(chē)架有限元模型

2.1 邊界條件

對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，為了使數(shù)值解存在且唯一，系統(tǒng)要求在不影響車(chē)架自由變形的情況下，消除結(jié)構(gòu)的剛體位移，以保證結(jié)構(gòu)總剛度矩陣非奇異。由于車(chē)架在正常工作時(shí)是由車(chē)輪通過(guò)液壓懸架支撐的，即車(chē)架通過(guò)立柱軸支承在液壓懸架上，故框架車(chē)車(chē)架的立柱軸是車(chē)架的主要受力部件，它在靜態(tài)下承受壓載，在車(chē)輛行駛中還承受振動(dòng)載荷［6］。因此在車(chē)架立柱軸端面以及車(chē)架與固定架接觸面均實(shí)行全約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件

2.2 載荷

車(chē)架上的載荷可分為以下四類(lèi)。1）靜載荷，指汽車(chē)靜止時(shí)的簧上載荷。2）對(duì)稱(chēng)的垂直動(dòng)載荷，當(dāng)汽車(chē)在平坦的道路上以較高車(chē)速行駛時(shí)產(chǎn)生的。其大小與垂直振動(dòng)加速度有關(guān)，與作用在車(chē)架上的靜載荷及其分布有關(guān)，路面的作用力使車(chē)架承受對(duì)稱(chēng)的垂直動(dòng)載荷。這種動(dòng)載可使車(chē)架產(chǎn)生彎曲變形。3）斜對(duì)稱(chēng)的動(dòng)載荷，這種載荷是當(dāng)汽車(chē)在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)汽車(chē)的前后幾個(gè)車(chē)輪可能不在同一平面上，從而使車(chē)架連同車(chē)身一同歪斜，其大小與道路不平的程度以及車(chē)身、車(chē)架和懸架的剛度有關(guān)，這種動(dòng)載荷會(huì)使車(chē)架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。4）其他載荷，如轉(zhuǎn)向離心力載荷、制動(dòng)時(shí)慣性力載荷，由于載荷作用線(xiàn)不通過(guò)縱梁截面的彎曲中心（如油箱、備胎和懸架等）而使縱梁產(chǎn)生附加的局部扭矩［1］。

框架車(chē)靜止時(shí)，車(chē)架只承受懸架以上部分的載荷，它是由車(chē)架和車(chē)身的自身質(zhì)量，安裝在車(chē)架上的各總成與附近的質(zhì)量和裝載質(zhì)量所受的重力組成。根據(jù)框架車(chē)車(chē)架的實(shí)際受力情況，將駕駛室與發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量9 800 N均勻加在車(chē)架前端的駕駛室和發(fā)動(dòng)機(jī)架上，將凈載載荷1 470 000 N以分布力的形式加在車(chē)架后端的上平面上，車(chē)架自重由系統(tǒng)根據(jù)材料密度自動(dòng)處理為分布載荷加載到結(jié)構(gòu)上。如圖3所示。

圖3 加載情況

2.3 工況

由我國(guó)車(chē)輛電測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)際受力情況可知，車(chē)架的靜應(yīng)力分析一般僅考慮純彎曲工況和彎扭工況。為全面地反映框架車(chē)車(chē)架在實(shí)際使用工況下應(yīng)力分布情況，本文制定了以下4種工況:

1）荷載150 t的彎曲工況:用來(lái)分析車(chē)輛滿(mǎn)載靜止時(shí)車(chē)架的應(yīng)力分布情況;

2）過(guò)載195 t的彎曲工況:模擬在滿(mǎn)載狀態(tài)下，所有車(chē)輪著地時(shí)汽車(chē)在良好路面勻速直線(xiàn)行駛的狀態(tài)，過(guò)載系數(shù)取為1.3;

3）14個(gè)車(chē)輪中左前第2個(gè)車(chē)輪通過(guò)強(qiáng)制位移約束上升3 mm，其余12個(gè)車(chē)輪處于同一平面位置不變，模擬彎扭組合工況。將安全系數(shù)取為1.3;

4）14個(gè)車(chē)輪中左前第2個(gè)車(chē)輪通過(guò)強(qiáng)制位移約束上升3 mm，右后第2個(gè)車(chē)輪通過(guò)強(qiáng)制位移約束下降3 mm，其余10個(gè)車(chē)輪處于同一平面位置不變，同樣模擬彎扭組合工況。將安全系數(shù)取為1.3。

3 結(jié)果分析

通過(guò)后處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出各工況下的應(yīng)力與位移云圖如圖4～11所示。各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 工況一的變形

表1 各工況的計(jì)算結(jié)果

分析圖4～11和表1可知:4種工況的最大變形均出現(xiàn)在車(chē)架的最前端，這是因?yàn)檎麄€(gè)駕駛室和發(fā)動(dòng)機(jī)所在的部位為汽車(chē)的前懸，這部分的受力類(lèi)似于懸臂梁，故會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。其中工況四的變形最大（9.470 5 mm），但也小于車(chē)架允許的最大彎曲撓度10 mm。同時(shí)，4種工況下的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的最小屈服強(qiáng)度380 MPa。

從表1可知，工況四的應(yīng)力最大（160.55 MPa）。車(chē)架的屈服強(qiáng)度 δs為380 MPa，取安全系數(shù) n=1.41，則材料許用應(yīng)力［δ］ = δs/n=380/1.41=269.5 ＞160.55 MPa?？梢?jiàn)該車(chē)架強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

事實(shí)上，因?yàn)樵摽蚣苘?chē)采用了液壓懸掛，該懸掛會(huì)自動(dòng)根據(jù)路面情況調(diào)整液壓缸的的高度來(lái)保證框架車(chē)的所有車(chē)輪均能接地，而且在高低不平的路面上也能保持裝載面的水平狀態(tài)。故本文設(shè)定的工況三和工況四相對(duì)實(shí)車(chē)來(lái)說(shuō)已經(jīng)非?？量塘?，但即使在此種情況下，車(chē)架的變形和應(yīng)力仍然在允許的范圍內(nèi)，可見(jiàn)該車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)150 t框架車(chē)車(chē)架進(jìn)行4種工況下的有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大變形和最大應(yīng)力均出現(xiàn)在第4種工況，，這與理論分析是完全一致的，可見(jiàn)有限元分析的正確性。

2）車(chē)架的最大應(yīng)力和最大變形均能滿(mǎn)足要求，可見(jiàn)車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

3）今后可在本文研究的基礎(chǔ)上，對(duì)該車(chē)架可進(jìn)行疲勞壽命估算以及輕量化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高該車(chē)架的性能。

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