邊梁式車(chē)架強(qiáng)度和剛度有限元仿真分析與校核

貴州電子科技職業(yè)學(xué)院 張紅瓊

本文以設(shè)計(jì)載重量為86噸的重型車(chē)架為目的，首先根據(jù)要求設(shè)計(jì)出了縱梁截面為12mm厚邊的邊梁式車(chē)架，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析，得到該車(chē)架強(qiáng)度和剛度的應(yīng)力和應(yīng)變圖，并以計(jì)算出的結(jié)果為依據(jù)，適當(dāng)?shù)母能?chē)架上的相關(guān)零部件，使車(chē)架的強(qiáng)度和剛度符合使用條件，最后進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，驗(yàn)證了該車(chē)架的可靠性。

作為車(chē)輛的主要承載部件，承載式剛性車(chē)架的主要作用是承受連接車(chē)輛的各個(gè)零部件的力并承受車(chē)輛內(nèi)、外的各種不同載荷，故承載式剛性車(chē)架的性能好壞關(guān)系整車(chē)性能的好壞。承載式剛性車(chē)架在運(yùn)行時(shí)因?yàn)槭艿絹?lái)自路面及車(chē)箱裝載的各種載荷作用，成為了一個(gè)承受復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，而且還受到來(lái)自于汽車(chē)懸掛系統(tǒng)、路面和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，承載式剛性車(chē)架需具備合理的剛度、強(qiáng)度和振動(dòng)特性，且在車(chē)架的設(shè)計(jì)初期，非常有必要對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算和校核，以驗(yàn)證車(chē)架結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 車(chē)架結(jié)構(gòu)分析

該結(jié)構(gòu)是在已初步設(shè)計(jì)完整的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)而成的邊梁式車(chē)架，其縱梁斷面都是槽形，橫梁與內(nèi)縱梁為加強(qiáng)板鉚接或螺栓連接。用Solid works軟件建立該車(chē)架的三維實(shí)體模型，建立模型時(shí)，為便于分析，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下對(duì)有限元模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。即車(chē)架上類(lèi)似直徑較小的孔、圓角和倒角等小的幾何細(xì)節(jié)，由于對(duì)車(chē)架強(qiáng)度和剛度影響不大，故被忽略了。初始方案如圖1所示。

圖1 車(chē)架初始設(shè)計(jì)方案

將初始方案進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，前輪定位和車(chē)架后橋所在梁結(jié)構(gòu)定位部件存在薄弱性，將車(chē)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后的車(chē)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。在進(jìn)行圖2所示車(chē)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在兩輪懸空的極限情況下，其最大應(yīng)力達(dá)到了326.87Mpa，發(fā)生在車(chē)架左邊尾部，及外縱梁與貨箱鉸接點(diǎn)所在橫梁的連接處，最大變形達(dá)到了14.319mm，發(fā)生在車(chē)架第三根橫梁與外縱梁的交界處。基于此情況，將車(chē)架的結(jié)構(gòu)做適當(dāng)更改，縱梁的厚度嘗試著由原來(lái)的14mm改為12mm，形成了最后的方案，如圖3所示。

圖2 初步形成車(chē)架方案

圖3 縱梁厚度為12mm的車(chē)架結(jié)構(gòu)

2 有限元仿真模型建立

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的車(chē)架結(jié)構(gòu)是否合理，本文利用有限元分析法進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的分析，最后還進(jìn)行校核。

2.1 材料屬性定義

在設(shè)計(jì)時(shí)，車(chē)架由45Mn材料制成，質(zhì)量密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度極限σs為350MPa。

2.2 單元類(lèi)型及網(wǎng)格劃分

首先將模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中，根據(jù)車(chē)架的材料定義其屬性，再在Design Modeler模塊中完成相關(guān)的Imprint Faces操作，其中將Imprint Faces加在車(chē)架兩縱梁與貨箱的接觸面上。其次，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格單元類(lèi)型為Solid186的六面體，最后得到的1167474個(gè)節(jié)點(diǎn)，233471個(gè)單元，其有限元模型如圖4所示。

圖4 車(chē)載式剛性車(chē)架網(wǎng)格劃分后的有限元模型

3 強(qiáng)度和剛度分析

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，典型的工況有彎曲、扭轉(zhuǎn)、急剎制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎四種，其中滿(mǎn)載彎曲和滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)這兩種工況對(duì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)有較大影響，所以此次的剛度和強(qiáng)度計(jì)算主要以這兩種工況為主。

3.1 滿(mǎn)載彎曲工況

滿(mǎn)載彎曲工況是指在滿(mǎn)載狀態(tài)下，四輪著地時(shí)，汽車(chē)在良好路面約束直線(xiàn)行駛的姿態(tài)。在設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)車(chē)架上共安裝了4個(gè)用于連接板簧的支架，2個(gè)用于連接后橋平衡軸的支架，并根據(jù)這些支架進(jìn)行約束，并加上相應(yīng)的載荷后得到車(chē)架在彎曲工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖如圖5所示。

圖5 車(chē)架在彎曲工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖

從圖5中可以看出，車(chē)架最大應(yīng)力為151.34MPa，位于第三根橫梁與縱梁的連接處，與實(shí)際情況基本一致。根據(jù)車(chē)架節(jié)點(diǎn)位移分布圖，第二、三根橫梁之間與縱梁處出現(xiàn)最大位移節(jié)點(diǎn)，其值為2.12mm，這樣的變形量較小，對(duì)車(chē)架的性能影響不大，故在彎曲工況下強(qiáng)度和剛度都符合要求。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況時(shí)一般都會(huì)伴隨有彎曲工況，故此處主要計(jì)算彎扭聯(lián)合工況時(shí)的剛度和強(qiáng)度。滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況是指汽車(chē)在崎嶇不平的道路行駛的情況，此處取最?lèi)毫拥墓r進(jìn)行分析，即車(chē)輛的左后輪與右前輪兩輪對(duì)角懸空時(shí)的姿態(tài)。同樣根據(jù)實(shí)際情況對(duì)車(chē)架的相應(yīng)部位進(jìn)行約束，并加上相應(yīng)的載荷后得到車(chē)架在彎扭作用下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖，如圖6所示。

圖6 車(chē)架在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖

從圖6中可知，車(chē)架在此工況下最大應(yīng)力為400.4MPa，位于車(chē)架第二根橫梁與縱梁的連接處，這是因?yàn)檐?chē)架在右前輪和左后輪兩輪懸空情況時(shí)，車(chē)架受到的載荷也相對(duì)較大，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形，這與實(shí)際情況基本一致。最大位移節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在第一根橫梁與縱梁的連接處，最大值為46.763mm，變形量較大，需要進(jìn)行校核。

4 車(chē)架強(qiáng)度校核

車(chē)架材料的屈服極限為σs，計(jì)算出車(chē)架的最大復(fù)合應(yīng)力為σmax，則設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)為：

根據(jù)上面有限元仿真結(jié)果及強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算公式，得到的車(chē)架評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)架的強(qiáng)度評(píng)價(jià)參數(shù)

當(dāng)安全系數(shù)n ＞1時(shí)，車(chē)架在彎曲工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。但是對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，由于該工況發(fā)生的概率偏小，基本上不會(huì)發(fā)生，故設(shè)計(jì)校核也偏保守，雖然安全系數(shù)不足1，在安全系數(shù)為所計(jì)算結(jié)果的情況下也能滿(mǎn)足工況要求。

結(jié)論：文章為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)中的車(chē)架結(jié)構(gòu)可靠，利用ANSYS軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行了有限元分析，在分析過(guò)程中，要考慮實(shí)際工況對(duì)車(chē)架的影響，并模擬實(shí)際工作時(shí)車(chē)架所受的約束和載荷，得出彎曲和扭轉(zhuǎn)工況極限載荷下的應(yīng)力分布和變形分布圖。如果得出的結(jié)果不滿(mǎn)足要求了，重修修改設(shè)計(jì)圖，再次驗(yàn)證，直到最后進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核時(shí)安全性滿(mǎn)足要求為止，完成車(chē)架設(shè)計(jì)工作。