基于有限元法的自卸貨車車架的仿真分析

蘇乘章

（柳州市自動化科學研究所 廣西 柳州 545006）

基于有限元法的自卸貨車車架的仿真分析

蘇乘章

（柳州市自動化科學研究所 廣西 柳州 545006）

根據自卸貨車在工作過程中大梁與梯形板連接處存在出現裂紋的問題，采用國際上通用的有限元分析軟件MSC.ADAMS，MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN，對大梁的力學特性進行數值仿真分析，研究大梁斷裂的位置以及導致裂紋產生的臨界載荷，從而計算出自卸貨車所能承受的最大載重量，使車輛具有更好的使用性和安全性。

自卸貨車；車架；有限元分析；載重量

車架作為汽車的承載基體,承受著傳給它的所有力和力矩[1]，故應有足夠的可靠性和壽命,大梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂。基于有限元法的車架設計,可以在設計階段對車架的力學性能進行計算、分析、預測與模擬[2]，從而更好的保證車架的可靠性和壽命。

有限元法是一種在工程分析中經常使用的解決疑難復雜問題的近似數值分析方法,由于其在機械結構強度和剛度分析方面具有比較高的計算精度而得到廣泛應用,在材料應力、應變的線性范圍研究中更是如此。而當今,計算機普遍應用,國內外汽車行業已經將有限元分析方法應用于車架分析計算[3]。本文選用有限元分析軟件分析自卸貨車車架。采用MSC.ADAMS多體系統動力學軟件對自卸貨車卸貨全過程進行數值模擬，因為MSC.ADAMS是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析[4]。而MSC.PATRAN是工業領域最著名的有限元前、后處理器[5]，故利用MSC.PATRAN軟件的前處理部分建立車架梁結構的有限元模型。采用具有高度可靠性的結構有限元分析軟件MSC.NASTRAN[6],對多種工況下大梁的應力、應變分布進行數值仿真分析。

1 MSC.ADAMS中的仿真分析

為了準確計算出大梁各部件的應力分布，不僅需要建立良好的有限元模型，還需要準確定義載荷的大小與方向。為此，首先需要借助多體系統動力學仿真軟件MSC.ADAMS對自卸車的卸貨全過程進行仿真分析，獲取不同時間段內作用在車架結構上的載荷大小與方向。其中，MSC.ADAMS軟件中建立自卸貨車的模型如圖1所示：

圖1 基于MSC.ADAMS軟件的自卸貨車模型

由MSC.ADAMS分析可知：油缸臂和拉桿對車架軸心產生的扭矩最大為1.08×108N·mm，此時拉桿受到的力為4.91×105N，油缸臂受到的力為4.16×105N。且油缸臂受力與拉桿受力之間的比例關系基本保持在0.845這一比例，對于貨重和車廂的總載重與拉桿（或者油缸臂）受力的關系基本也是1%左右浮動。這些基本呈現出線性關系的數據使得我們的分析有一個理論依據。

2 建立幾何模型

根據車架大梁實際幾何尺寸，并結合CAD圖紙，在MSC.PATRAN有限元前處理軟件中建立大梁及相關橫梁的幾何模型，為后續的有限元仿真分析提供模型數據。其幾何模型如圖2所示。

圖2 自卸貨車車架的幾何模型

圖示模型一共由94個面和4個實體組成，這些我們所需要到的最終模型只是整個建模過程中的一小部分。在保證計算精度的前提下，減小模型規模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計算更好、更快地完成[7]。故作輔助和鋪墊的點、線、面在建模過程已經刪除或者隱藏掉了。

3 有限元模型的建立

模型建立完畢就可以對模型進行網格劃分。在此模型中節點數達到56582個，網格數達到55030個，其中油缸臂加強圈與拉桿加強圈為六面體單元，其余結構均采用四邊形單元離散。模型最終的網格劃分如圖3所示。

圖3 自卸貨車車架的有限元模型

4 處理邊界條件與施加載荷

4.1 約束條件定義

根據車架實際工作情況，即大梁放置在主車架上，且兩大梁的一端和車架后橫梁的兩端分別與車身結構固定連接，因此，約束大梁底部沿豎直方向的位移，并在兩側六個鎖緊點處約束其水平位移，從而完成邊界條件的定義。其模型如圖4所示。

圖4 模型的邊界約束條件

4.2 載荷定義

載荷的大小與方向是根據前述多體系統動力學軟件MSC.ADAMS所計算出來的，本文已經對箭頭指向點與模型作了關聯，所以施加的力均可作用于模型上。載荷定義最終結果如圖5所示。

圖5 對加強圈施加力的示意圖

對于模型的材料屬性，本文中橫梁采用Q235，其余采用汽車大梁專用的16Mn材料。

5 計算結果及分析

5.1 計算結果

根據MSC.PATRAN所建立的有限元模型，采用MSC.NASTRAN有限元軟件對某一特定工況下大梁的力學特性進行仿真分析，其應力分布如圖6所示。從圖中可以看到，右邊的條形表示圖中顏色對應的應力大小，白色部分表示受到的應力極小，將受到應力較小的部分隱去，再由其對稱性本文只顯示其中一半，如圖6、圖7所示。

圖6 模型的應力云紋圖

圖7 模型的應力云紋圖（局部）

圖8 模型的應力云紋圖（局部）

圖9 模型中應力最大點位置

從圖中可以看出應力的最大點發生在梯形板與大梁的交界處，如圖9所示。另外，圖7、8中另幾處紅點也是應力較大的位置，其應力相對于最大應力點相差不是很大。

5.2 最大載重量的推算

本文采用的材料屬性16Mn的斷裂強度為785MPa，屈服強度為450MPa。由于問題屬于比較典型的線性靜力問題，且根據針對不同工況計算結果總結分析后發現，外載與大梁最大應力基本符合線性規律，為此，可以采用線性疊加方法分析大梁的屈服強度與斷裂強度。

根據拉桿角度采用屈服強度和斷裂強度，計算貨車的安全限載(確定梁變形)和斷裂限載(確定梁斷裂)。其中MSC.PATRAN里拉桿加強圈的施力大小為54.18N，兩個加強圈合力大小為108.32N，對應的最大應力強度為0.0864MPa。

由屈服強度并結合MSC.PATRAN里靜力分析中力與應力的線性關系可得，拉桿的最大許用力為564166.67N，轉化為載貨重量為57.57噸。由總載重/拉桿受力(α)的關系可得安全總載重26.09噸，安全貨物限載23.45噸。由斷裂強度并結合MSC.PATRAN里靜力分析中力與應力的線性關系可得，拉桿的最大許用力為984157.41N，轉化為載貨重量為100.42噸。由總載重/拉桿受力(α)的關系可得總載重45.92噸，貨物限重43.28噸。

根據油缸臂角度采用屈服強度和斷裂強度，計算貨車的安全限載(確定梁變形)和斷裂限載(確定梁斷裂)。其中MSC.PATRAN里油缸臂加強圈的施力大小為45.85N，兩個加強圈合力大小為91.7N，對應的最大應力強度為0.0864MPa。

由屈服強度并結合MSC.PATRAN里靜力分析中力與應力的線性關系可得，油缸臂的最大許用力為477604.17N，轉化為載貨重量為48.74噸。由總載重/油缸臂受力(β)的關系可得安全總載重26.10噸，安全貨物限載23.46噸。由屈服強度并結合MSC.PATRAN里靜力分析中力與應力的線性關系可得油缸臂的最大許用力為833153.94N，轉化為載貨重量為85.02噸。由總載重/油缸臂受力(β)的關系可得總載重45.98噸，貨物限重43.34噸。

6 結論

本文計算分別從拉桿與油缸臂出發對自卸貨車的最大安全載重和極限載重作了計算，兩者結果基本一致。即貨車載重在23噸以下，車架不會發生變形或者斷裂等狀況；貨車載重在23噸到43噸之間，車架的大梁與梯形板交界處會發生變形，但不至于出現裂紋；當貨車載重在43噸以上，車架的大梁與梯形板交界處首先出現裂紋，隨著載重的不斷增加，其它各處應力較大處也逐漸出現裂紋，引發事故。因此，為安全起見，貨車最大載貨量最好不要超過40噸，以免引起大梁的斷裂破壞。

［1］陳家瑞.汽車構造：下[M].北京:機械工業出版社,2000:184-185.

［2］蔣孝煜.有限元基礎[M].北京:清華大學出版社,1992:267-269.

［3］Huang J.A new approach for weight reduction in truck frame design[J].TransSAE,1993(6):18-19.

［4］陳軍.MSC.ADAMS 技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

［5］劉兵山，黃聰.Patran從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

［6］李增剛.Nastran 快速入門與實例[M].北京：國防工業出版社，2007.

［7］杜平安，甘娥忠，于亞婷.有限元法原理、建模及應用[M].北京:國防工業出版社，2004:108-115.

Simulation Analysis for Dump Truck Frame Based on FEM

SU Cheng－zhang
（Liuzhou City Automation Science Research Institute,Liuzhou Guangxi，545006，China）

According to the problem of Girders and trapezoidal plate joint of the crack during the tippers’ process,using a kind of international anduniversial finite-element analysis software to have numerical simulation analysis.The position of the girders’fracture and critical load to calculate the maximum load of the tippers that can bear is studied.

Dump truck；Frame；Finite-element analysis；Deadweight

蘇乘章（1981—），男，計算機科學與技術專業，工學學士學位，助工。

王靜］