車(chē)架橫梁截面對(duì)承載性能影響的仿真分析

黃 虎，史鳳波，孫船斌，童寶宏，紀(jì) 俊

（1.安徽福馬汽車(chē)零部件集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243100；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

車(chē)架作為整個(gè)卡車(chē)的承載基體，承受著貨箱及其中的貨物、駕駛室、動(dòng)力總成及其他各類(lèi)總成等整個(gè)卡車(chē)幾乎所有的簧上質(zhì)量。當(dāng)卡車(chē)行駛在凹凸不平的路面上時(shí)，也承受著極其復(fù)雜的靜動(dòng)態(tài)載荷，可能會(huì)受到超過(guò)車(chē)架本身許用應(yīng)力的垂直方向的沖擊載荷。在不同的行駛工況下，卡車(chē)車(chē)架可能會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)載等各種不利現(xiàn)象，這些不利現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)架的過(guò)度變形，甚至產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。因此，研究卡車(chē)車(chē)架橫梁的承載性能就顯得十分重要。

國(guó)內(nèi)外不少文獻(xiàn)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析［1－4］。Kim H S等［5］對(duì)車(chē)架施加極限靜態(tài)載荷，然后研究這種情況下車(chē)架的失效表現(xiàn)形式，并探究了這種失效對(duì)車(chē)架的影響。Ao K等［6］提供了歸納有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析結(jié)果的方法，并利用獲得的結(jié)果指導(dǎo)車(chē)架的后續(xù)設(shè)計(jì)與分析。鐘佩思等［7］針對(duì)易發(fā)生疲勞破壞的貨車(chē)車(chē)架，分析了車(chē)架在不同工況下的強(qiáng)度與剛度，從而找出了發(fā)生疲勞破壞的原因，并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)以往的分析經(jīng)驗(yàn)對(duì)車(chē)架進(jìn)行了優(yōu)化。楊希志等［8］研究了某型卡車(chē)的橫梁性能，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的車(chē)架橫梁進(jìn)行分析，還將不同形式的橫梁置于中體車(chē)和寬體車(chē)中進(jìn)行模態(tài)分析，最終對(duì)比得出了各種結(jié)構(gòu)形式橫梁的優(yōu)缺點(diǎn)。何懼等［9］通過(guò)三維建模之后，在不同工況下對(duì)四種結(jié)構(gòu)形式的橫梁進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分析概括了四種橫梁在不同工況下的優(yōu)劣，最終獲得了較好的選擇。

本文首先利用有限元分析軟件ABAQUS建立某輕型載貨車(chē)輛車(chē)架的幾何模型和有限元模型，分析滿(mǎn)載彎曲、滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)、滿(mǎn)載制動(dòng)和滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎的加載條件，并在這四種工況下，對(duì)比分析不同工況下車(chē)架的應(yīng)力和變形，研究不同截面橫梁對(duì)車(chē)架承載性能的影響。

1 車(chē)架有限元模型

本文以某兩軸輕型廂式貨車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，該貨車(chē)車(chē)架采用的是兩根槽型的縱梁和六根槽型的橫梁通過(guò)焊接而成的邊梁式結(jié)構(gòu)，車(chē)架材料為Q345，貨車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

表1 貨車(chē)主要參數(shù)

設(shè)定網(wǎng)格尺寸為20mm，車(chē)架模型劃分網(wǎng)格后獲得119 882個(gè)節(jié)點(diǎn)、38 660個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 車(chē)架網(wǎng)格劃分

2 不同工況約束和加載分析

駕駛室和乘員的質(zhì)量為500kg，滿(mǎn)載時(shí)貨物和貨箱的質(zhì)量為6 000kg，將這些載荷均勻分布到相應(yīng)車(chē)架位置。進(jìn)行車(chē)架承載性能分析時(shí)，為保證一定的安全系數(shù)，需要考慮分布質(zhì)量的動(dòng)載系數(shù)。不同行駛工況下，車(chē)架發(fā)生的主要變形有較大區(qū)別。下面對(duì)載貨車(chē)輛在不同工況下的約束和加載進(jìn)行分析。

（1）滿(mǎn)載彎曲工況。該工況模擬載貨車(chē)輛在較平坦道路勻速行駛，車(chē)架除了受所載貨物、駕駛室及其內(nèi)部乘員的重力，還要額外承受路面顛簸引起的垂向沖擊，在這些載荷和懸架系統(tǒng)的約束下，車(chē)架會(huì)發(fā)生彎曲變形。通過(guò)限制各車(chē)輪垂直方向的位移，可以達(dá)到相同的約束效果。

（2）滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況。該工況模擬載貨車(chē)輛在坑洼道路勻速行駛，前后左右輪胎會(huì)出現(xiàn)較大程度的抬高和下陷。在約束一側(cè)輪胎垂向位移的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)一側(cè)前輪降低10mm，另一側(cè)后輪抬高10mm，通過(guò)對(duì)角輪胎位移差使車(chē)架發(fā)生扭曲。

（3）滿(mǎn)載制動(dòng)工況。該工況模擬載貨車(chē)輛在突發(fā)情況下緊急剎車(chē)，可以在滿(mǎn)載彎曲工況下疊加制動(dòng)作用。為模擬制動(dòng)效果，對(duì)車(chē)架及連接部件施加相反的慣性加速度，本文選定制動(dòng)慣性為0.6g。

（4）滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎工況。該工況模擬載貨車(chē)輛轉(zhuǎn)彎，可以在滿(mǎn)載彎曲工況下疊加轉(zhuǎn)彎引起的側(cè)向慣性作用，本文選擇的轉(zhuǎn)彎側(cè)向慣性加速度為0.2g。

設(shè)定X軸為貨車(chē)側(cè)向，Y軸為垂直向上方向，Z軸為貨車(chē)前進(jìn)方向，滿(mǎn)足笛卡爾右手法則。各工況下的動(dòng)載系數(shù)和約束如表2所示。

3 截面形狀對(duì)橫梁承載性能影響

本文選取三種截面橫梁作為具體研究對(duì)象：槽型橫梁截面尺寸為寬80mm、高140mm、厚度5mm；矩形截面尺寸為寬80mm、高140mm、厚度5mm；圓型截面尺寸為直徑110mm、厚度5mm。以下為不同工況下，依次改變橫梁截面形狀（槽型橫梁、矩形橫梁和圓型橫梁），通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行車(chē)架的應(yīng)力和位移分析。

表2 不同工況動(dòng)載系數(shù)和約束

3.1 滿(mǎn)載彎曲工況

對(duì)不同截面橫梁的車(chē)架進(jìn)行加載和約束，獲得了車(chē)架的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

從圖2可知：整個(gè)車(chē)架應(yīng)力變化主要集中在前輪和后輪的位置附近，尤其在后輪位置，整個(gè)車(chē)架的應(yīng)力從車(chē)輪位置向兩端逐漸變小，這是由于前后車(chē)輪位置是車(chē)架向地面的載荷傳遞點(diǎn)；槽形橫梁、矩形橫梁、圓管形橫梁的車(chē)架最大應(yīng)力分別為99.02MPa、99.02 MPa、103.5MPa，最大應(yīng)力位于后輪支撐處。三種形狀橫梁車(chē)架的位移最大值均位于車(chē)架第三根橫梁位置，最大位移分別為1.065mm、1.02mm、1.48mm。三種截面橫梁車(chē)架在滿(mǎn)載彎曲下的應(yīng)力和位移變化是一致的，其中槽形截面與矩形截面橫梁最大應(yīng)力和位移值基本一樣，但從圖2中可以看出矩形截面明顯降低了車(chē)架前部橫梁的應(yīng)力變化，圓形截面橫梁的最大應(yīng)力和位移均較為惡劣。

3.2 滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況

圖3為三種截面橫梁車(chē)架在滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖。

圖2 滿(mǎn)載彎曲工況下車(chē)架應(yīng)力云圖

圖3 滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)架應(yīng)力云圖

從圖3可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁車(chē)架的最大應(yīng)力分別為280.4MPa、281.4MPa和256.1 MPa，也都是處于后橋處；三種橫梁車(chē)架的應(yīng)力分布都是在前后橋位置向兩端逐漸減小，其中槽形截面與矩形截面橫梁最大應(yīng)力值基本一樣，而圓形橫梁的應(yīng)力極值最小。在滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況下，三種截面橫梁車(chē)架的最大位移分別為7.02mm、6.97mm、5.22mm，均位于車(chē)架第三根橫梁位置，圓形截面橫梁明顯降低了車(chē)架位移。

3.3 滿(mǎn)載制動(dòng)工況

圖4為三種截面形狀橫梁車(chē)架在滿(mǎn)載制動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖。

圖4 滿(mǎn)載制動(dòng)工況下車(chē)架應(yīng)力云圖

從圖4可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁的最大應(yīng)力分別為124.5MPa、123MPa和112.8MPa，最大應(yīng)力均位于后橋處，整體應(yīng)力變化基本一致。在滿(mǎn)載制動(dòng)工況下，三種截面橫梁車(chē)架的最大位移分別為1.42mm、1.38mm、0.99mm，其中槽形橫梁、矩形橫梁車(chē)架的最大位移位于車(chē)尾，而圓形截面橫梁車(chē)架的最大位移位于車(chē)架靠近第4根橫梁處，明顯降低了車(chē)架在滿(mǎn)載制動(dòng)下的位移。

3.4 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎工況

圖5為三種截面形狀橫梁車(chē)架在滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖。

從圖5可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁的最大應(yīng)力分別為159.2MPa、156.6MPa和179.0 MPa，前后橋處均有應(yīng)力集中，整體應(yīng)力變化基本一致。在滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎工況下，三種截面橫梁車(chē)架的最大位移分別為2.73mm、2.66mm和3.137mm，三種截面橫梁車(chē)架的最大位移發(fā)生在后橋處，且均為與貨箱連接處?？梢?jiàn)在滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎下，槽形和矩形截面橫梁車(chē)架的應(yīng)力和位移均較小，而圓形截面橫梁車(chē)架的應(yīng)力和位移變得惡劣。

圖5 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎工況下車(chē)架應(yīng)力云圖

3.5 分析結(jié)果比較

綜合比較四種工況下三種截面橫梁的應(yīng)力和位移，槽形橫梁與矩形橫梁對(duì)車(chē)架應(yīng)力和位移變化的影響基本一致，但矩形截面可以明顯降低橫梁本身應(yīng)力。而圓管形橫梁在滿(mǎn)載扭曲和滿(mǎn)載制動(dòng)工況下有顯著改善車(chē)架應(yīng)力和位移的作用，但在滿(mǎn)載彎曲和滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎下使車(chē)架應(yīng)力和位移變得惡劣。可見(jiàn)，槽形截面橫梁在不同工況下有著綜合良好的承載性能，矩形截面橫梁能夠明顯改善由橫梁本身引起的承載能力，圓形截面橫梁在不同工況下的承載性能并不一致，需要根據(jù)車(chē)架設(shè)計(jì)目標(biāo)權(quán)衡利用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了某輕型載貨車(chē)輛車(chē)架的幾何模型和有限元模型，分析了滿(mǎn)載彎曲、滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)、滿(mǎn)載制動(dòng)和滿(mǎn)載轉(zhuǎn)彎的加載條件，對(duì)比分析了不同工況下車(chē)架的應(yīng)力和變形，研究了不同截面橫梁對(duì)車(chē)架承載性能的影響。

分析結(jié)果表明：槽形橫梁具有綜合良好的車(chē)架承載性能，矩形橫梁能夠增強(qiáng)自身承載能力，圓形橫梁在不同工況下對(duì)車(chē)架承載性能影響不一致。研究結(jié)果可為輕型貨車(chē)車(chē)架橫梁的設(shè)計(jì)提供理論參考。