無副車架的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

宋夫杰 程曉東 陳貫祥 劉大維

摘要：??針對渣土自卸汽車車架存在的安全問題，本文以某無副車架的渣土自卸汽車為研究對象，建立了無副車架的渣土自卸汽車的車架幾何模型，并對該車架的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型，同時(shí)采用HyperMesh有限元分析軟件，對車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行靜態(tài)分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，在3種工況條件下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，最大應(yīng)力值分別下降了31.01%，37.29%，36.63%，34.76%和42.89%，改進(jìn)結(jié)構(gòu)使車架應(yīng)力大區(qū)域的強(qiáng)度有明顯提高，而且主副縱梁、橫梁及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件的應(yīng)力值也明顯減小;在舉升工況下，V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力值小于材料的屈服極限，基本滿足材料的屈服極限要求;改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與原結(jié)構(gòu)相比，增重30?kg，與有副車架的結(jié)構(gòu)相比，減重70?kg，實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化。該研究為企業(yè)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：??渣土自卸汽車;?車架;?有限元分析;?輕量化

中圖分類號(hào)：?U463.32?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

收稿日期：?2019-08-20;?修回日期：?2019-11-15

基金項(xiàng)目：??山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017CXGC0510）

作者簡介：??宋夫杰（1992-），男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者：??劉大維（1957-），男，吉林長春人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)、地面-車輛系統(tǒng)與控制技術(shù)。Email：?qdldw@163.com

渣土自卸汽車是適用于城市內(nèi)運(yùn)輸要求的專用自卸汽車。渣土自卸汽車的車架，不但承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤及裝載物的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛及卸載過程中產(chǎn)生的各種力和力矩[1]，因此整車能否正常行駛及整車是否具有足夠的安全性能與車架是否可靠有密切關(guān)系。隨著有限元技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)步，有限元技術(shù)在車架等汽車零部件的設(shè)計(jì)與分析中被廣泛應(yīng)用[2-8]。許多研究者應(yīng)用有限單元法進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)損壞的原因，找出危險(xiǎn)區(qū)域和部位，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，直到找到最優(yōu)的方案為止。針對某半掛牽引車車架，劉大維等人[9-10]采用Nastran有限元分析軟件，建立了有限元分析模型，并對其在各種工況下的車架強(qiáng)度進(jìn)行分析。同時(shí)，對半掛牽引車在使用過程中出現(xiàn)的車架異常斷裂問題，建立了以板殼單元為基本單元的半掛牽引車車架有限元分析模型，對車架強(qiáng)度進(jìn)行靜態(tài)及模態(tài)分析，為半掛牽引車車架的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了參考依據(jù);趙文杰[11]在汽車車架故障診斷中應(yīng)用模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步深層次的研究;王勇等人[12]對某重型載貨汽車車架動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了深入分析;宮喚春等人[13]為使車架具有更好的動(dòng)態(tài)性，根據(jù)某電車車架的模態(tài)分析結(jié)果，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，定量地提出了改進(jìn)措施，進(jìn)一步改良了車架性能?；诖?，本文主要對無副車架的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，建立了無副車架的渣土自卸汽車的車架幾何模型，并對該車架的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)采用HyperMesh有限元分析軟件，對車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了強(qiáng)度靜態(tài)分析。該研究滿足承載要求，為車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1?車架結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.1?幾何模型的建立

本文以某無副車架的渣土自卸汽車為研究對象，某無副車架渣土自卸汽車的車架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該

車架主要由2根主縱梁，2根副縱梁和5根橫梁組成。車架長7?600?mm，前端寬992?mm，后端寬842?mm，整個(gè)車架是一個(gè)前寬后窄的變寬結(jié)構(gòu)，橫梁與縱梁之間采用鉚釘連接。主縱梁的截面厚度為8?mm，副縱梁的截面厚度為5?mm，車架的駕駛室承載、舉升油缸、翻轉(zhuǎn)支座及各個(gè)橫梁的布置基本繼承原結(jié)構(gòu)。

1.2?建立有限元模型

1）?在HyperMesh軟件中，打開車架三維幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主副縱梁及各橫梁等鋼板結(jié)構(gòu)部件采用邊長為10?mm的四邊形和三角形的混合板殼單元進(jìn)行劃分;對于駕駛室承載、彎管梁、舉升支座以及V推橫梁等鑄件，采用邊長為10?mm的四面體單元進(jìn)行劃分。

2）?在車架主副縱梁、橫梁、舉升支座及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件之間采用鉚釘、螺栓及焊接這3種連接方式。將各構(gòu)件之間的每個(gè)裝配孔邊緣的單元節(jié)點(diǎn)與裝配孔中心采用剛性單元，建立約束關(guān)系來模擬鉚釘和螺栓裝配關(guān)系[14];將構(gòu)件之間相鄰網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)采用剛性單元rigids建立約束關(guān)系來模擬焊接裝配關(guān)系[15-16]。

3）?由懸架系統(tǒng)變形情況可以得到車架在實(shí)際使用過程的真實(shí)應(yīng)力分布情況。本文利用HyperMesh軟件中的Beam梁單元模擬鋼板彈簧，根據(jù)鋼板彈簧的彎曲剛度和長度，確定模擬鋼板彈簧的梁單元截面尺寸及形狀，保證梁單元與實(shí)際鋼板彈簧具有同樣的力學(xué)特征。鋼板彈簧與車架之間由吊耳連接，采用剛性單元RBE2，模擬板簧與吊耳之間力傳遞的支座[17]。

4）?車架的縱梁及橫梁所采用的材料為ZQS500L鋼板，車架材料的性能參數(shù)如表1所示。車架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示，包括3?682?585個(gè)單元數(shù)和1?067?864個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.3?邊界條件的確定

在本文建立的車架有限元模型中，前橋的作用力通過前鋼板彈簧傳遞到車架上，因此將前橋的約束點(diǎn)確定在前鋼板彈簧的中心處，而后橋約束點(diǎn)確定在后鋼板彈簧的兩端節(jié)點(diǎn)處。

1.4?載荷的處理

當(dāng)車輛滿載時(shí)，作用于車架上的載荷包括駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓缸、燃油箱、蓄電池、車箱及貨物的載荷。計(jì)算過程中各個(gè)部分載荷如下：駕駛室質(zhì)量1?500?kg，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量950?kg，變速箱質(zhì)量430?kg，液壓缸質(zhì)量300?kg，燃油箱質(zhì)量300?kg，蓄電池質(zhì)量150?kg，車箱質(zhì)量4?000?kg，貨物滿載質(zhì)量為2.2×104?kg。

在計(jì)算過程中，車架有限元模型的質(zhì)量平均分配到各單元上;駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、燃油箱、蓄電池的質(zhì)量簡化為均布載荷，并按其作用的位置分配到相應(yīng)的支撐單元上;液壓缸的質(zhì)量按其作用位置簡化為集中載荷，分配到相應(yīng)的支撐節(jié)點(diǎn)上;由整車裝載質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，通過車箱傳給車架。在靜載狀態(tài)下，車箱和車架之間的作用力以均布載荷的形式傳遞，而在舉升等動(dòng)載狀態(tài)下，以集中力的形式傳遞，兩種狀態(tài)下力的傳遞并非完全傳遞，而是與車箱的剛度有關(guān)。以鋼-鋼結(jié)構(gòu)連接的車箱與車架，車箱剛度對車架剛度有一定的貢獻(xiàn)，因此車箱和車架共同承擔(dān)總載荷，其承受載荷的比例約為3∶7;以木-鋼結(jié)構(gòu)連接的車箱與車架，由于車箱剛度較小，不超過總載荷的6%，且由車箱承擔(dān)，因此總載荷基本上是由車架承受[18]。本文所研究的無副車架的渣土自卸汽車，其車架與車箱之間的連接屬于鋼-鋼連接，因此，車架所承受的載荷按照總載荷的7/10計(jì)算。

在3種典型工況下，對渣土自卸汽車進(jìn)行如下計(jì)算：

1）?車輛滿載彎曲工況。在平直良好的路面上，當(dāng)車輛勻速正常行駛時(shí)，車架主要承受彎曲載荷，產(chǎn)生彎曲變形，用彎曲工況來模擬，此時(shí)的動(dòng)載系數(shù)取2.5[19]。

2）?車輛滿載扭轉(zhuǎn)工況。在不平的路面上，當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，車架受到的是扭轉(zhuǎn)載荷，具體為3個(gè)車橋中某個(gè)車輪抬高某一高度，同時(shí)其對角的車輪降低同一高度，其他車輪保持在水平路面上。本文假設(shè)左前軸抬高25?mm，左中、后軸降低25?mm;右前軸降低25?mm，右中、后軸抬高25?mm;形成正負(fù)50?mm的高度差，等同于車輛某一車輪抬高100?mm，或某一車輪降低100?mm。動(dòng)載系數(shù)取1.3[20]。

3）?車輛滿載舉升工況。舉升過程中，舉升角度的變化會(huì)使車箱對車架舉升反力發(fā)生變化。由于舉升過程緩慢，舉升過程中產(chǎn)生的慣性力可以忽略，這樣可使車箱在任何時(shí)刻都處于靜力平衡狀態(tài)。本文取3個(gè)角度舉升狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，舉升角度分別為0°，20°，30°，并且為模擬車輛在平直良好的路面上和不平路面上發(fā)生舉升工況，將每個(gè)角度的舉升分為平地舉升和扭轉(zhuǎn)舉升;扭轉(zhuǎn)舉升時(shí)，左側(cè)中、后軸抬高25?mm，右側(cè)中、后軸降低25?mm，形成正負(fù)25?mm的高度差，等同于中、后軸某一車輪抬高或降低50?mm。

在滿載彎曲及滿載扭轉(zhuǎn)工況加載條件下，車架的載荷分布圖如圖3所示。當(dāng)車箱舉升角為0°，20°和30°時(shí)，裝載為22?000?kg時(shí)，車架舉升工況載荷分布圖如圖4所示，車架舉升支座和翻轉(zhuǎn)支座受力情況如表2所示。

2?計(jì)算結(jié)果與對比分析

2.1?車架結(jié)構(gòu)滿載彎曲工況的計(jì)算結(jié)果與分析

車架滿載彎曲工況應(yīng)力分布圖如圖5所示。由圖5可以看出，在車輛滿載彎曲工況下，該車架結(jié)構(gòu)整體較大應(yīng)力位于車架的中后部分，即圖5中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)位置。車架整體最大應(yīng)力為714.30?MPa，位于車架主縱梁、副縱梁及V推支座橫梁之間后端的鉚釘連接處。另外兩處較大應(yīng)力分別為697.62?MPa（Ⅰ位置）和658.40?MPa（Ⅱ位置），分別位于第2橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處以及第3橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處。這3個(gè)位置的應(yīng)力已超過材料的屈服極限，在實(shí)際應(yīng)用中，主副縱梁及橫梁等構(gòu)件會(huì)發(fā)生斷裂，不滿足使用要求。

2.2?車架結(jié)構(gòu)滿載扭轉(zhuǎn)工況的計(jì)算結(jié)果與分析

車架滿載扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布圖如圖6所示。由圖6可以看出，在車輛滿載扭轉(zhuǎn)工況下，該車架結(jié)構(gòu)整體較大應(yīng)力位于車架的中后部分，即圖6中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)位置。車架整體最大應(yīng)力為708.51?MPa，位于V推支座橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處。另外兩處較大應(yīng)力分別為704.60?MPa（Ⅰ位置），644.65?MPa（Ⅱ位置），分別位于第2橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處、第3橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處，這3個(gè)位置的應(yīng)力均已超過材料的屈服極限。在實(shí)際應(yīng)用中，主副縱梁及橫梁等構(gòu)件會(huì)發(fā)生開焊及斷裂，不能滿足使用要求。

2.3?車架結(jié)構(gòu)滿載舉升工況的計(jì)算結(jié)果與分析

本文假設(shè)無副車架渣土自卸汽車在平直良好的路面上發(fā)生舉升工況，即對車架有限元模型在平舉工況加載條件下進(jìn)行模擬計(jì)算。

車架滿載0°平舉工況應(yīng)力分布圖如圖7所示。由圖7可以看出，在車輛滿載0°平舉工況下，該車架結(jié)構(gòu)整體較大應(yīng)力位于車架的舉升支座、V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉(zhuǎn)支座等部分，即圖8中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)位置。車架整體最大應(yīng)力為428.97?MPa，位于車架主縱梁、副縱梁及V推支座橫梁之間的鉚釘連接處。另外兩處較大應(yīng)力分別為300.62?MPa（Ⅰ位置）和407.34?MPa（Ⅲ位置），分別位于舉升支座的焊接處、翻轉(zhuǎn)支座焊接處。這3個(gè)位置的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，在實(shí)際應(yīng)用中，主副縱梁、橫梁及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件滿足使用要求。

車架滿載20°平舉工況應(yīng)力分布圖如圖8所示。由圖8可以看出，在車輛滿載20°平舉工況下，該車架結(jié)構(gòu)整體較大應(yīng)力位于車架的V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉(zhuǎn)支座等部分，即圖8的Ⅰ、Ⅱ這2個(gè)位置。車架整體最大應(yīng)力為474.27?MPa，位于翻轉(zhuǎn)支座焊接處。另外一處較大應(yīng)力為457.04?MPa（Ⅰ位置），位于V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處。這2處的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，在實(shí)際應(yīng)用中，主副縱梁、橫梁及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件滿足使用要求。

車架滿載30°平舉工況應(yīng)力分布如圖9所示。由圖9可以看出，在車輛滿載30°平舉工況下，該車架結(jié)構(gòu)整體較大應(yīng)力位于車架的V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉(zhuǎn)支座等部分，圖示Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)位置。車架整體最大應(yīng)力為513.15?MPa，位于翻轉(zhuǎn)支座焊接處，另外一處較大應(yīng)力為476.31?MPa（Ⅰ位置），位于V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處。這2處的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，在實(shí)際應(yīng)用中，主副縱梁、橫梁及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件滿足使用要求。

3?結(jié)構(gòu)改進(jìn)及計(jì)算

由以上分析結(jié)果可知，在彎曲工況及扭轉(zhuǎn)工況加載條件下，車架的某些部件的應(yīng)力值超過了材料的屈服極限，不滿足使用要求，因此對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主縱梁的截面厚度改為10?mm，副縱梁的截面厚度改為4?mm，車架的駕駛室承載、彎管梁、橫梁、舉升支座、V推支座橫梁以及翻轉(zhuǎn)支座的布置基本與原結(jié)構(gòu)相同。改進(jìn)后車架各工況有限元分析結(jié)果與原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行對比，車架滿載彎曲工況下的相對變化如表3所示，車架滿載扭轉(zhuǎn)工況下的相對變化如表4所示，車架滿載0°平舉工況下的相對變化如表5所示，車架滿載20°平舉工況下的相對變化如表6所示，車架滿載30°平舉工況下的相對變化如表7所示。

由表3～表7可以看出，在上述3種工況下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，最大應(yīng)力值分別下降了31.01%，37.29%，36.63%，34.76%，42.89%，可見改進(jìn)結(jié)構(gòu)，車架應(yīng)力大區(qū)域的強(qiáng)度明顯提高;在各工況加載條件下，主副縱梁、橫梁以及翻轉(zhuǎn)支座等構(gòu)件，應(yīng)力值也明顯減小;在舉升工況下，V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比較，應(yīng)力值有所增大，但是應(yīng)力值小于材料的屈服極限;若不考慮鉚釘連接處及焊接處應(yīng)力集中的影響，基本滿足材料的屈服極限要求。改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為934?kg，與原結(jié)構(gòu)相比增重30?kg，但是相比有副車架的結(jié)構(gòu)減重70?kg，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。

4?結(jié)束語

本文利用某公司提供的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)，在保留主車架的基本結(jié)構(gòu)，刪除原結(jié)構(gòu)副車架的基礎(chǔ)上，建立了無副車架渣土自卸汽車車架的幾何模型。利用HyperMesh軟件建立有限元分析模型，提出了車架各工況載荷處理及邊界條件的處理方法，并對車架進(jìn)行了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況以及舉升工況的有限元分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到滿足材料屈服極限和使用要求的車架結(jié)構(gòu)。該研究在理論上實(shí)現(xiàn)了對渣土自卸汽車的輕量化，為車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文只針對無副車架渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)及改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，而沒有對其進(jìn)行有限元疲勞分析，因此今后可在本文所建立的無副車架渣土自卸汽車車架有限元分析模型的基礎(chǔ)上，對其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，以確保改進(jìn)后的無副車架渣土自卸汽車的車架結(jié)構(gòu)疲勞壽命滿足使用要求。

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Finite?Element?Analysis?of?Structure?Strength?of?Slag?Dump?Truck?Frame?without?SubFrame

SONG?Fujie1，?CHENG?Xiaodong2，?CHEN?Guanxiang2，?LIU?Dawei1

（1.?School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China;2.?Sino?Truk?Special?Purpose?Vehicle?Company，?Qingdao?266031，?China）

Abstract：??Aiming?at?the?safety?problems?of?the?dump?truck?frame，?this?article?takes?a?dump?truck?without?a?subframe?as?the?research?object.?The?geometric?model?of?dump?truck?frame?without?subframe?is?established.?And?the?geometric?model?of?the?frame?is?meshed?to?establish?the?finite?element?analysis?model.?At?the?same?time，?HyperMesh?finite?element?analysis?software?is?used?to?perform?static?analysis?on?the?structural?strength?of?the?frame.?According?to?the?results?of?finite?element?calculation，?the?frame?structure?is?improved?and?designed.?The?research?results?show?that，?after?the?improved?structure?is?compared?with?the?original?structure?under?three?working?conditions，?the?maximum?stress?values?are?decreased?by?31.01%，?37.29%，?36.63%，?34.76%?and?42.89%，?respectively.?The?improved?structure?makes?the?strength?of?the?frame?stress?area?significantly?improved.?In?addition，?the?stress?values?of?the?main?and?auxiliary?longitudinal?beams，?beams?and?overturning?supports?are?also?significantly?reduced.?Under?the?lifting?condition，?the?improved?structure?at?the?joint?between?the?V?push?bearing?beam?and?the?main?and?auxiliary?longitudinal?beam?rivets?has?a?stress?value?less?than?the?material's?yield?limit?compared?with?the?original?structure，?which?basically?meets?the?material's?yield?limit?requirement.?Compared?with?the?original?structure，?the?weight?of?the?improved?frame?structure?is?increased?by?30?kg.?Compared?with?the?structure?with?the?auxiliary?frame，?the?weight?of?the?improved?frame?structure?is?reduced?by?70?kg.?This?research?has?achieved?the?weight?reduction?of?automobiles?and?provides?a?reference?for?companies?to?realize?lightweight?vehicles.

Key?words：??dump?truck;?frame;?finite?element?analysis;?lightweight