基于翻轉(zhuǎn)裝置的某輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)強度分析①

丁 芳，倪晉挺，張賢棟

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，安徽蕪湖241002)

0 引 言

輕型卡車的車架和底盤一般采用都是比較成熟的結(jié)構(gòu)形式，而其駕駛室多是根據(jù)具體情況進行設(shè)計，因此輕卡駕駛室產(chǎn)生裂縫是常見問題［1～3］.經(jīng)路測數(shù)據(jù)分析表明，引起駕駛室地板橫梁等部件開裂的原因，主要是單扭桿翻轉(zhuǎn)裝置對車身前支撐臂附件作用較大的不對稱載荷，而且這一載荷在車輛行駛狀態(tài)下始終作用在車身底板各部件上，扭矩所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力和車輛行駛狀態(tài)下的動應(yīng)力相疊加，產(chǎn)生超過底板材料抗拉極限的應(yīng)力，導(dǎo)致與前支撐臂連接的駕駛室底板局部撕裂.為此本文建立了駕駛室的有限元模型，重點分析在翻轉(zhuǎn)力矩作用下駕駛室底板各主要部件的應(yīng)力狀態(tài)，據(jù)此說明駕駛室主要結(jié)構(gòu)部件的強度問題.

1 有限元模型及模態(tài)

有限元模型是否合適直接影響分析結(jié)果.該駕駛室是由薄形板件通過焊點以及螺栓連接而成，薄形板件厚度不同，而且板件形狀復(fù)雜各異.在建立駕駛室有限元模型的時候，采用Shell63 單元進行模擬，能夠較準(zhǔn)確的反映駕駛室的受力情況及性能.在對駕駛室有限元模型進行網(wǎng)格劃分時，為了保證質(zhì)量和精度，盡量采用四邊形單元，少用三角形單元［4～5］.

本論文中輕型卡車駕駛室有限元模型通過HyperWorks 軟件建立，如圖1 所示.在駕駛室有限元模型中，遵循少用三角形單元的原則，比例低于10%，整個駕駛室共有殼單元96128 個，其中焊接單元2539 個，輕卡駕駛室的使用材料以及相關(guān)參數(shù)如表1 所示.

圖1 駕駛室有限元模型

圖2 前地板左右加強板應(yīng)力云圖

表1 駕駛室使用的材料參數(shù)表

經(jīng)仿真計算與實驗測試，得到輕卡駕駛室的前八階計算模態(tài)頻率與實驗?zāi)B(tài)頻率，如表2 所示.由表2 可以看出，模態(tài)頻率仿真計算結(jié)果與實際實驗結(jié)果比較接近，最大誤差為4.3%，最小誤差為－0.3%，總體上誤差都在10%以下，同時，輕卡駕駛室仿真時質(zhì)量為215Kg，實測質(zhì)量為220Kg，兩者質(zhì)量基本接近，這說明建立的模型可行，精確性較好，該模型可以用于下一步的分析與計算［6～8］.

表2 前八階模態(tài)計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

圖3 前地板應(yīng)力云圖

圖4 左右縱梁應(yīng)力云圖

2 約束與加載

在進行有限元分析時，為了得到與實際更接近的計算結(jié)果，必須正確的施加載荷與約束.本論文采用在輕卡駕駛室的前端建立扭桿來代替實際的翻轉(zhuǎn)裝置.輕卡駕駛室的前端約束為限制扭桿兩端的三個移動自由度，輕卡駕駛室后端為自由度為零的全約束.加載采用線性遞增或遞減的方式，力矩大小分別為:左端力矩為3000Nm，右端力矩為500Nm，力臂長度為0.28m，方向相反.

圖5 地板左右前縱梁前連接板應(yīng)力云圖

圖6 加強縱梁應(yīng)力云圖

圖7 駕駛室整體應(yīng)力云圖

3 計算結(jié)果分析

為了了解駕駛室在負(fù)載后各主要部件的受力情況，必須進行有限元分析后處理階段，計算駕駛室主要部件的應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖中可直觀的看出部件所受到的應(yīng)力情況，圖2 ～7 為輕卡駕駛室的主要部件應(yīng)力云圖.為了進行對比，表3 列出了駕駛室主要部件的最大應(yīng)力值.

表3 駕駛室各主要部件的最大應(yīng)力值

根據(jù)有限元分析的應(yīng)力云圖可以看出，輕卡駕駛室的左右兩側(cè)面、前后面以及頂蓋的應(yīng)力都很小，應(yīng)力比較大的地方主要集中在駕駛室的地板連接處.由于所加載荷是在駕駛室的縱梁上，因此縱梁部分以及與其連接的加強梁部分受到的應(yīng)力較大.另外，從應(yīng)力云圖以及表3 可看到前地板與地板左右前縱梁前連接板兩者的應(yīng)力也都較大，分別為292Mpa 和213Mpa，這主要是因為這兩個位置直接與縱梁相接觸.

4 結(jié) 論

由于翻轉(zhuǎn)裝置的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得駕駛室的地板部件存在一個初始預(yù)應(yīng)力，當(dāng)汽車行駛時，還將受到由于地面不平引起的動應(yīng)力，在兩個應(yīng)力的共同作用下，隨著時間的累積，地板將出現(xiàn)初始裂紋，一旦當(dāng)應(yīng)力值超過許用值時，駕駛室結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)裂縫，或者更嚴(yán)重的斷裂.本文通過建立可行的有限元模型，模擬計算分析輕卡駕駛室受力狀態(tài)，找到最薄弱環(huán)節(jié)，這對于改進駕駛室部件設(shè)計，以及對調(diào)整翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的借鑒意義.

［1］ 柏鐵彬.商用車白車身開裂問題的研究和改進［D］.長春:吉林大學(xué)，2013.

［2］ 吳碧磊，等.載貨汽車駕駛疲勞壽命的敏感度分析［J］.汽車工程，2007，29(12):1051－1054.

［3］ 胡海巖.機械振動基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］ 崔岸，王登峰，陳海潮，等.基于模態(tài)靈敏度分析的商用車駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽車工程，2010，32(6):535－539.

［5］ 付亞蘭，謝素明.HyperWorks 工程應(yīng)用指導(dǎo)叢書:基于HyperMesh 的結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2015.

［6］ 王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperWorks 進階教程系列:HyperMesh＆HyperView 應(yīng)用技巧與高級實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［7］ 譚永青，唐華平，呂斌，等.某重型礦用自卸車駕駛室的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2014，33(5):751－753.

［8］ 陳志勇，史文庫，沈志宏，等.輕型客車車身車架整體結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析［J］.振動與沖擊，2010，29(10):244－246.