冷藏車主副車架聯(lián)接方式研究

朱茂桃，何松霖，劉 濤

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

冷藏車主副車架聯(lián)接方式研究

朱茂桃，何松霖，劉 濤

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以某企業(yè)生產(chǎn)的冷藏車車架為研究對象，聯(lián)合應(yīng)用CATIA及ANSYS軟件，建立主副車架裝配體有限元模型，并選取合理的接觸算法，對車架及螺栓在典型工況下進行強度有限元分析，同時指出副車架所采用的止推板式聯(lián)接方式對車架整體所帶來的影響。最后對副車架聯(lián)接方式提出改進，分析了枕木及石墨墊片在聯(lián)接設(shè)計中所能起到的接觸充分及緩解應(yīng)力的優(yōu)點，為副車架聯(lián)接方式進一步設(shè)計優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

車輛工程；冷藏車車架；ANSYS；螺栓；接觸算法；聯(lián)接方式

0 引 言

車架是整個汽車的重要承載部件，承受著來自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷作用，其力學特性直接影響了整車的基本性能。目前國內(nèi)對于車架結(jié)構(gòu)的研究主要集中于對車架強度的分析以及輕量化設(shè)計等方面。桂良進等[1]通過有限元法對載貨越野車車架結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計方案的對比研究后，得到了合理的輕量化設(shè)計方案并對減重效果進行了評價；龍凱等[2]以極限承重載荷作為車架失效原因，通過建立某重型貨車車架有限元模型有效預(yù)測了車架應(yīng)力分布狀況，并提出了結(jié)構(gòu)改進措施。

綜上所述，以往研究大多通過有限元法對車架強度進行有效的預(yù)測及優(yōu)化，然而在分析的過程中大多忽略了合理副車架聯(lián)接方式在整個使用過程中起到的舉足輕重的作用，如果聯(lián)接設(shè)計不當，會造成副車架縱梁早期變形開裂及液壓油缸缸筒的扭曲變形，嚴重的還會造成翻車事故[2]。目前在副車架的相關(guān)研究中，國內(nèi)只有簡訴的報道探討副車架聯(lián)接方式在車架整體性能方面的作用。單永梅等[3]對前頂自卸車主副車架聯(lián)接設(shè)計方式進行了對比分析；潘守江等[4]則通過對混凝土攪拌車主副車架的聯(lián)接方式歸類比較，并分別對聯(lián)接改進提出了合理化建議，但都沒有通過有效的方法論證副車架聯(lián)接方式在車架整體受力中所發(fā)揮的作用。筆者從聯(lián)接設(shè)計角度，通過有限元法結(jié)合接觸非線性算法，對主副車架及螺栓強度進行了分析，分析改進聯(lián)接方式在副車架設(shè)計中所處的作用，為進一步車架設(shè)計優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

1 車架有限元模型

1.1 車架參數(shù)及網(wǎng)格劃分

分析原型某企業(yè)冷藏車車架為邊梁式結(jié)構(gòu)，主要由2根主、副縱梁、6根主橫梁及11根副橫梁組成。其橫、縱梁均采用沖壓成形工藝制成，并多采用螺栓-角鋼聯(lián)接，而主副車架之間則通過螺栓配合止推板之類連接成為一個堅固的剛性構(gòu)架，以便承受垂直于車架平面的均布壓力。該冷藏車車架具體參數(shù)：整車滿載質(zhì)量為7 320 kg，其前軸重860 kg,后軸重1 370 kg；整車外形尺寸為(6 970×1 962×2 225)mm，其大梁有效長度為4 930 mm；此外，各部件材料參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

三維建模軟件CATIA建模初期，忽略橫、縱梁上承受載荷比較小,對結(jié)構(gòu)變形影響小的安裝部件。離散化選用六面體八節(jié)點單元Solid185，單元尺寸為10 mm，劃分完成的有限元模型包含390 595個節(jié)點，253 914個單元，車架整體有限元模型見圖1。

圖1 冷藏車車架有限元模型Fig.1 The finite element model of refrigerator car frame

1.2 聯(lián)接方式及求解控制

1.2.1 螺栓連接模擬

筆者研究的冷藏車車架的縱、橫梁及其擋板之間基本采用螺栓連接。而傳統(tǒng)建模方式只在螺栓孔與孔緣處通過多點約束將區(qū)域內(nèi)的節(jié)點相連以等效螺栓與鋼板的連接，因此傳統(tǒng)建模方法無法考慮螺栓預(yù)緊力和相互貼合的板間接觸關(guān)系[5]，因此筆者選用六面體二十節(jié)點單元Solid186，根據(jù)實際尺寸建立螺栓有限元模型，見圖2，以考慮真實的螺栓接觸情況[6]。

圖2 簡化及實體螺栓模擬方式對比Fig.2 Comparison of simple and entities bolt simulation

1.2.2 螺栓預(yù)緊力的定義

預(yù)緊力的作用是為了提高螺栓連接結(jié)構(gòu)在隨機載荷作用下的結(jié)構(gòu)耐久性及剛性。但是過大的預(yù)緊力會影響螺栓本身的強度及使用壽命。因此,需要對預(yù)緊力進行合理控制,最大程度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載特性。

文獻[7]指出螺栓連接結(jié)構(gòu)被擰緊所需的預(yù)緊力要控制在其材料屈服極限的80%以下，普通的碳素鋼螺栓的預(yù)緊力，通常由以下關(guān)系式確定：

Fp≤(0.6～0.7)σsA

(1)

式中：A為螺栓危險截面的面積；σs為螺栓材料的屈服極限。采用的是M8奧氏體螺栓，實測危險截面面積為2.827×10-5m2，破壞扭矩為23 N·m，由式(1)得出螺栓預(yù)緊力不應(yīng)超過3 986 N，故將其螺栓預(yù)緊力取較大值3 000 N。

1.2.3 接觸單元與求解算法

螺栓關(guān)注重點是連接結(jié)構(gòu)各部件之間的接觸關(guān)系對結(jié)構(gòu)整體的影響。對此，螺栓接觸面及其角鋼之間的接觸行為均采用ANSYS提供的接觸單元TARGE170和CONTA174進行模擬[8]，為了保證接觸表面協(xié)調(diào)，采用非線性接觸算法，見圖3。其中增強拉格朗日算法：

Fnormal=knormalxpenetration+λ

(2)

因為額外因子λ的引入，其對罰剛度值knormal欠敏感，增強了求解收斂性。

圖3 增強拉格朗日算法示意Fig.3 Schematic of augmented lagrangian algorithm

除此之外，在考慮預(yù)緊力時，引入預(yù)緊力單元PRETS179，進行螺栓預(yù)緊力的模擬。全局考慮大變形效應(yīng)，Newton-Raphson算法積分點探測求解[7]，具體求解控制見表2。

表2 螺栓求解控制Table 2 The solve control of bolt

1.3 邊界條件及載荷施加

將車架滿載時的外載荷簡化為均布壓力施加在底架的橫、縱梁上。車架的自重通過材料密度以及重力加速度自動添加，發(fā)動機及油箱總成則根據(jù)實際情況簡化為質(zhì)量單元作用在車架前三根橫梁處。具體邊界條件如下：

1)參考全局坐標系，分別約束左、右板簧吊耳的橫、縱向及縱向的平動自由度；

2)主、副車架的聯(lián)接根據(jù)實際止推板處理方式，定義綁定接觸(即剛性連接)；

3)前橋兩端的端面處施加豎直方向的位移約束。

2 車架-螺栓連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2.1 工況的確定

冷藏車的行駛路況普遍相對良好，但也會遭遇轉(zhuǎn)彎、過溝等一系列惡劣工況，分析中應(yīng)考慮加速情況，引入動載系數(shù)[9]，最后根據(jù)實際情況，確定以下4種工況進行分析：

勻速工況：空載，勻速行駛，動載系數(shù)kv=1，約束左前輪縱、橫向的位移，右前輪的縱向位移，以及前后橋豎直方向上的位移；

加速工況：滿載，加速行駛，動載系數(shù)kv=2，自由度約束同勻速工況；

轉(zhuǎn)彎工況：滿載，減速轉(zhuǎn)彎行駛，整車施加橫向加速度，動載系數(shù)kv=1.3，自由度約束同勻速工況；

極限工況：滿載，右后輪過溝，釋放右后輪所有自由度，左后輪抬起，將其豎直方向的位移定義為+60 mm，動載系數(shù)kv=1.2，模擬通過不平路面的情況。

2.2 車架整體強度分析

通過對帶螺栓連接車架結(jié)構(gòu)進行有限元計算，得到4種典型工況下車架的應(yīng)力及變形云圖。圖4分別為車架極限工況下的應(yīng)力及變形云圖，可以看出，車架所受最大應(yīng)力主要集中于車架的后部橫縱梁連接處，車架前部應(yīng)力普遍比較低。通過采用第四強度理論對該車架進行強度校核，從分析結(jié)果中得到車架4種工況下的最大應(yīng)力及變形值。從表3中可以看出，各種工況下的車架應(yīng)力和變形均偏大，其中主車架最大應(yīng)力值相比于副車架普遍較大，因此主副車架的聯(lián)接方式上有較大的改進空間。

圖4 車架應(yīng)力及變形分布Fig.4 Frame stress and deformation in limiting process表3 車架在典型工況下應(yīng)力及變形Table 3 The max stress and deformation of frame in four working condition

分析工況勻速工況加速工況轉(zhuǎn)彎工況極限工況主車架最大應(yīng)力σz/MPa47.32139.68128.62244.07副車架最大應(yīng)力σf/MPa37.68149.9992.65193.14車架變形Δd/mm1.564.623.2613.89

2.3 螺栓聯(lián)接可靠性分析

為考察車架受力情況下螺栓聯(lián)接的可靠性，同時簡化計算資源，選擇較為惡劣的加速工況為分析工況，并只分析車架一側(cè)的螺栓應(yīng)力。計算后應(yīng)力最大出現(xiàn)在第8排螺栓處，最大應(yīng)力值達到了221.54 MPa，而擋板螺栓應(yīng)力最大值則達到了116.56 MPa，都均小于螺栓的屈服應(yīng)力，如圖5。進一步分析不難發(fā)現(xiàn)，螺桿處應(yīng)力分布總體較大，這是由于預(yù)緊力的作用以及動載系數(shù)選取偏大的緣故，符合工程實際。但由于螺栓與角鋼的剛性直接接觸，金屬之間的相互擠壓使得螺栓接觸面及角鋼孔附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象也尤為明顯，預(yù)緊力無法得到良好的發(fā)揮，也不利于車架長期的使用安全，因此同時也有必要對螺栓聯(lián)接方式進行合理改進。

圖5 螺栓及角鋼應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of bolt and angle stee

綜上所訴，在螺栓連接方式下，車架整體在極限工況下所受應(yīng)力、變形值最大，底架雖采用鋁合金，但在各工況下都遠低于材料的屈服極限，說明該主副車架-螺栓連接系統(tǒng)設(shè)計不僅滿足強度要求，且具有輕量化的優(yōu)點。然而，從各工況的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，由于主副車架采用剛性直接相連以模擬螺栓-止推板聯(lián)接方式，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象也尤為明顯，如圖6。因此對副車架聯(lián)接方式的研究，有待進一步合理的討論與改進。

圖6 車架局部應(yīng)力云圖Fig.6 Frame partial stress distribution

3 副車架聯(lián)接方式改進

3.1 枕木有限元模型

針對之前主副車架止推板剛性聯(lián)接方式導(dǎo)致的較為明顯的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象，筆者考慮了副車架常用的枕木過渡的聯(lián)接方式并探討其對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。材料根據(jù)文獻[10]中提到的含水率為(12±0.5)%的落葉松的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，見表4(其中Y方向是梁縱向順纖維方向，X方向是梁橫截面纖維徑向，Z方向是梁橫截面木纖維切線方向)。單元選擇ANSYS提供的具有正交各向異性、耦合效應(yīng)、層間剪切等特殊性質(zhì)的復(fù)合單元Solid46[11]，得到不同性能的層合結(jié)構(gòu)，以模擬枕木的聯(lián)接作用，如圖7。

3.2 枕木本構(gòu)模型假定

木材的特殊力學性能主要表現(xiàn)在低負荷時為彈性，高負荷時為塑性，并且有類似金屬在特定條件下才有的蠕變和松弛行為[12]。考慮到枕木加載過程較短，而且木材各方向擁有不同的力學性質(zhì)，數(shù)值模擬中采用如下假定：正交異性彈塑性模型，不考慮蠕變和松弛行為；木材順紋、橫紋及徑向、弦向各成正交異性。

為了能夠模擬木材3個正交方向屈服強度的不同，以及拉伸狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下屈服強度的不同，采用廣義Hill準則分析木材彈塑性行為。使用這個模型必須在各個方向上的拉伸和壓縮屈服應(yīng)力之間滿足以下方程：

(3)

在塑性區(qū)發(fā)展時保持一個閉合的屈服面必須服從以下不等式：

(4)式中：σ+j和σ-j分別為j方向的拉伸及壓縮屈服強度，其中壓縮屈服應(yīng)力被作為正值；對剪切屈服，σ+j=σ-j。此外：

(5)

3.3 枕木對車架應(yīng)力的影響

圖8表示了車架在極限工況下底架前端應(yīng)力分布云圖在有無枕木作用下的對比?？梢钥闯霾捎酶倪M的主副車架聯(lián)接方式由于枕木的作用，使得底架下底面縱向的壓力分布更加均勻，最大應(yīng)力也從之前的115.81MPa下降到了44.99MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善。因此，主、副車架之間通過枕木聯(lián)接使得車架裝配與使用時接觸更加充分，更好地發(fā)揮了副車架的承載作用，同時木材本身還能起到了減振、防腐的效果。

圖8 底架下底面不同聯(lián)接方式下應(yīng)力分布對比Fig.8 Comparison of stress distribution under different connectionsof chassis below

3.4 螺栓墊片對接觸應(yīng)力的影響

針對螺栓聯(lián)接方式改進，考慮墊片的非線性性質(zhì)和應(yīng)力-應(yīng)變時滯效應(yīng)對螺栓結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響, 建立了螺栓、墊片和角鋼連接系統(tǒng)的三維有限元模型。選取加速工況為分析工況，定義非對稱接觸、Augmented Lagrange算法以及低階墊片單元Inter195[13]，同時保證網(wǎng)格的一致性，并從ANSYS材料庫中選取石墨復(fù)合墊片材料。

圖9表示了墊片的法向及剪切應(yīng)力云圖，可以看出墊片主要承受法向壓應(yīng)力，其應(yīng)力大小沿徑向逐漸遞減，這是由于螺桿預(yù)緊力作用使得墊片孔處受到了較大的擠壓。相比于沒有墊片作用的螺栓，螺栓面各處的法向應(yīng)力也得到了較大的改善。

圖9 墊片法向及剪切應(yīng)力云圖Fig.9 Gasket normal and shear stress distribution

圖10表示了螺桿在有無墊片時外側(cè)應(yīng)力值隨螺桿長度方向的變化情況?？梢钥闯鲈陬A(yù)緊力不變的情況下，螺桿處總體應(yīng)力大小受墊片的影響不大，最大應(yīng)力由54.02 MPa降低至15.77 MPa，但由于墊片的作用，螺桿應(yīng)力值的波動卻明顯減小，說明應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善。同樣在螺帽接觸面處也有體現(xiàn)，且應(yīng)力變化均勻，接觸充分，說明墊片在螺栓裝配時同樣有利于預(yù)緊力的傳遞，使得裝配更加穩(wěn)固，有利于延長車架整體的使用壽命。同時墊片易于拆裝，也便于長期的使用與維護。

圖10 螺栓外側(cè)應(yīng)力有無墊片下應(yīng)力分布Fig.10 The stress distribution in external side of bolt with or without washer

4 結(jié) 語

根據(jù)某企業(yè)冷藏車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并依據(jù)合理的簡化原則，建立了主、副車架有限元模型。同時選取4種典型工況，仿真分析了車架的應(yīng)力變形情況，找出薄弱環(huán)節(jié)，同時驗證了有限元模型的有效性。

通過螺栓的強度分析，計算螺栓最大應(yīng)力為221.54 MPa，低于材料的屈服應(yīng)力，驗證了主、副車架在螺栓聯(lián)接下車架整體結(jié)構(gòu)的可靠性。同時指出副車架在止推板之類的剛性聯(lián)接方式下，遭遇復(fù)雜工況時容易出現(xiàn)應(yīng)力集中等問題。

針對之前的主、副車架聯(lián)接方式的問題，提出改良的副車架聯(lián)接方法。討論了枕木以及石墨墊片在聯(lián)接方式中不僅有緩沖減振及防腐蝕的作用，同時起著改善應(yīng)力集中、接觸充分的作用，有利于車架長期使用的可靠性。

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Research on Refrigerated Sub-frame Connection Mode

ZHU Maotao，HE Songlin，LIU Tao

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University，Zhenjiang 212013, Jiangsu，P.R. China)

The vehicle frame of refrigerated vehicle manufactured by a company was studied. By use of both softwares of CATIA and ANSYS, by setting up finite element model and simulating the sub-frame assembly and use of a selected reasonable contact algorithm, the strength of vehicle frame and bolts under typical loading cases were analyzed by means of finite element. The impact induced by connecting mode of thrust plates applied in the sub-frame on the whole vehicle frame were explored. In the end, the proposals for improving the connecting mode of the said sub-frame were put forward.Finally, such advantages of sleepers and graphite in connecting mode design which can achieve full connection and relieve stress were analyzed, which provide important basis for further optimized design of connection mode of sub-frame.

vehicle engineering; refrigerated vehicle frame；ANSYS；bolt；contact algorithm；connection mode

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.33

2015-01-12；

2015-06-11

朱茂桃(1960—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士，主要從事車輛及其零部件現(xiàn)代設(shè)計方法研究工作。E-mail:zhumt@ujs.edu.cn。

U463.32

A

1674-0696(2016)04-168-05