某牽引車車架輕量化有限元分析

王瑩瑩　肖宇　唐斯曉　王圣勇

摘 要：以該車輕量化設(shè)計車架為研究對象，根據(jù)某牽引車在不同工況下的受力情況添加相應(yīng)的載荷并進行受力分析，最后對車架的應(yīng)力情況進行校核。校核結(jié)果充分肯定了該輕量化方案，為后期道路試驗提供了參考，也為之后車輛的輕量化優(yōu)化設(shè)計提供的了方向。

關(guān)鍵詞：ANSYS 車架 輕量化 有限元分析

1 前言

當(dāng)前，經(jīng)歷了新冠肺炎疫情后，我國國民經(jīng)濟恢復(fù)良好，在治超趨嚴(yán)、老舊車淘汰、基建投資增速回升以及國VI升級等因素的影響下，我國牽引車市場發(fā)展穩(wěn)定，伴隨著全球氣候變暖等形勢要求，環(huán)保問題和節(jié)能要求日益嚴(yán)苛。資料表明，車重減輕10%，燃油消耗可降低6%-8%[1]。而車架是牽引車最為重要和核心的部件之一、是牽引車重量的承載，駕駛室、發(fā)動機、變速箱、有限、尿素箱等眾多了關(guān)鍵零部件均安裝在車架上，而在行駛過程中車架還要承受轉(zhuǎn)彎工況、制動工況、極限扭轉(zhuǎn)工況等產(chǎn)生的應(yīng)力，因此車架的設(shè)計關(guān)系到整個牽引車的性能[2-3]。在燃油消耗和性能的同時要求下，車架的輕量化和性能要求必須同時進行。

本文以某重型牽引車為研究對象，對該牽引車車架進行輕量化研究，在滿足整車對車架的性能要求的前提下，對該牽引車車架進行輕量化設(shè)計。

2 現(xiàn)狀說明

目前該牽引車車架重1610Kg，經(jīng)過市場調(diào)研及售后反饋，客戶對于燃油消耗的需求較大，該車型車架仍有較大空間進行輕量化設(shè)計。通過使用CATIA對該牽引車車架進行實體建模，如圖1所示。

3 車架輕量化方案

該牽引車車架輕量化內(nèi)容主要是更改結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)，更改結(jié)構(gòu)件如下：鞍座連接板、懸置加強板、鞍座墊板、尾橫梁等結(jié)構(gòu)。具體該車架輕量化成果如表1。

4 輕量化車架有限元分析

（1）輕量化車架有限元分析模型建立

運用CATIA建立三維實體模型，運用Hyper-mesh進行有限元單元劃分，最后運用ANSYS進行模型分析。其中，固定端支架-前懸架、板簧后支架、發(fā)動機懸置支架、鞍座鑄件、駕駛室后懸置支架、鑄件橫梁等零部件采用四面體單元，縱梁、橫梁、防撞梁、油箱支架、電瓶支架、空濾器支架、連接板、板簧等零部件采用殼單元，另外，前橋、后橋、推力桿及輪胎簡化成一維單元，鉚釘、螺栓連接采用rb2+beam單元模擬。駕駛室質(zhì)量、動力總成質(zhì)量、油箱質(zhì)量、電瓶質(zhì)量、傳動軸質(zhì)量、鞍載質(zhì)量、空濾器質(zhì)量、方向機質(zhì)量、消音器質(zhì)量及簡化部件的配重以集中質(zhì)量點表示，并依據(jù)其剛度通過rb3或rb2連接于車架，具體輕量化車架有限元模型見圖5。

（2）工況及載荷施加

建立垂向、轉(zhuǎn)彎、制動、扭轉(zhuǎn)一共5個工況，如表2所示，鞍座加載荷Z向-166000N，X向添加約束-850000N制動力。具體工況架構(gòu)如表2所示，施加鞍載質(zhì)量如表3所示，其中垂向沖擊時，牽引力40500N;扭轉(zhuǎn)工況1中未添加鞍載質(zhì)量，鞍座上施加Z向-166000N（制動時掛車施加載荷），X向非約束施加-X向850000N的制動力。

（3）計算過程

在確認各部件的基本屬性和連接關(guān)系無誤后，通過對輪胎上輸出的支反力計算出前后軸荷。通過對比發(fā)現(xiàn)，該有限元模型輸出的軸荷與實際車輛車輛得出的軸荷基本相同，證明該牽引車有限元模型基本正確。最后通過Optistruct算法得出各工況結(jié)果。

5 計算結(jié)果分析

（1）計算結(jié)果

文中使用Optistruct進行求解，將應(yīng)力值較大部位及重點關(guān)注零部件的仿真結(jié)果匯總?cè)缦卤?所示。

（2）結(jié)論分析

如圖6所示，輕量化鞍座墊板應(yīng)力集中處最大為312MPa，應(yīng)力集中點位于螺栓連接附近，開裂風(fēng)險較小。

如圖7所示，輕量化鞍座連接板應(yīng)力集中處最大為85MPa，應(yīng)力集中點仍然位于螺栓連接附近，開裂風(fēng)險較小。

如圖8所示，輕量化縱梁車架受力均勻，縱梁應(yīng)力集中處最大為245MPa，應(yīng)力集中點僅有一個，且位于螺栓孔位處，從應(yīng)力圖來看輕量化車架縱梁應(yīng)力分布良好。

6 結(jié)論

采用Hypermesh和ANSYS聯(lián)合仿真分析的方式，對輕量化牽引車車架進行了強度校核。在CATIA中進行該牽引車車架的三維建模，在Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分等前期處理工作，在建立垂向、轉(zhuǎn)彎、制動、扭轉(zhuǎn)一共5個工況下進行分析，得出的分析結(jié)果基本滿足該牽引車車架的應(yīng)力強度要求，充分肯定了該牽引車車架的輕量化方案，為后期道路試驗提供了參考，也為之后車輛的輕量化優(yōu)化設(shè)計提供的了方向。

參考文獻：

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[2]鄧祖平，王良模，彭曙兮，等.基于HyperWorks的某輕型卡車車架有限元分析及結(jié)構(gòu)改進[J].機械設(shè)計與制造，2012（5）：84-86.DENG Z P，WANG L M，PENG S X，et al. Finite element analysisand structure improvement on a light-duty truck frame based on hy-perworks[ J]. Machinery Design & Manufacture ，2012（5）：84- 86.

[3]黃黎，段智方，龐建中.重型半掛牽引車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析[C]//第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集，2007.