基于剛柔耦合的新能源貨車車架強度分析*

沈保山 王以文 陸永能

（1.徐工汽車制造有限公司；2.徐工集團徐州工程機械研究院）

貨車車架連接著貨車的各個部分，是整車承載各系統(tǒng)部件及運輸貨物的基本構件[1]，因此車架的優(yōu)劣將直接影響貨車的行駛和安全性能，而車架強度分析是產品開發(fā)中預測車架設計優(yōu)劣和優(yōu)化車架結構的重要一環(huán)，也是后期產品質量改進和提升的重要工作內容之一。文章通過多體與有限元相結合的方法對某款新開發(fā)的新能源貨車車架進行了強度計算，得到了5種典型工況下的應力分布，并針對應力較大區(qū)域提出了優(yōu)化方案，提高了車架的可靠性。

1 建立有限元模型及輸出柔性體文件（mnf）[2]

新能源貨車的貨廂和車架通過緊固件連接在一起,貨箱的剛度直接影響車架強度計算結果，所以有限元模型包括鋼板彈簧、貨箱總成及車架總成。

1.1 車架總成有限元模型的建立

縱梁、橫梁、電瓶支架、電機控制器、高壓配電柜、電動打氣泵支架及駕駛室后支架等均采用殼單元，板簧支架及駕駛室后支架采用四面體單元，鉚釘及螺栓連接采用rbe2+beam單元模擬；較小部件采用集中質量點通過rbe3或rbe2單元連接于相應固定支架，并在較大質量連接位置使用rbe2主點生成外連接點，但在本模型中不添加其質量，建立的有限元模型，如圖1所示。生成的外連點數量為：駕駛室點4個，前板簧點4個，前減振器點2個，電瓶點2個，發(fā)動機點4個，后板簧點8個，后減振器點2個，備胎點1個。

圖1 新能源貨車車架總成有限元模型

1.2 貨箱總成有限元模型的建立

貨箱部分均采用殼網格劃分，同時，為了體現貨物的質量，且不增加貨箱剛度，貨物質量通過多個mass單元均布在貨箱上。圖2示出新能源貨車貨箱總成有限元模型。通過rbe3+bush+rbe3單元模擬貨箱縱梁與車架縱梁間的接觸關系。

圖2 新能源貨車貨箱總成有限元模型

1.3 鋼板彈簧有限元模型的建立

在板簧卷耳及中間安裝位置處建立3個外連點，通過gap單元模擬鋼板彈簧的片間接觸，并通過調整單元切向剛度值，使有限元模型所得垂向剛度值與圖紙要求的夾緊剛度保持一致，有限元模型，如圖3所示。

圖3 新能源貨車鋼板彈簧有限元模型

1.4 輸出柔性體文件

利用Nastran分別生成柔性體文件：前后板簧分別生成mnf文件，車架和貨箱總成一起生成mnf文件。

2 建立剛柔耦合的多體動力學模型[3]

在ADAMS/View軟件中，利用已建好的車架和貨箱總成mnf文件及前后板簧mnf文件，建立能夠體現其性能的柔性體。然后根據整車裝配關系，建立所需的其他部件（前后橋、輪胎、傳動系、電機、電瓶、減振器及限位塊等）、試驗臺及路面，并進行合理連接，如圖4所示。

圖4 新能源貨車剛柔耦合的多體模型

3 建立工況 輸出連接點力及力矩

3.1 工況建立[4]

依據規(guī)范，建立分析工況，如表1所示。

表1 新能源貨車工況設置g

在各輪所處地面條件相同的條件下，其靜、動摩擦因數相同，各輪所受地面給予的側/縱向力的大小與其所受地面支撐力大小成正比關系。為了真實描述制動工況下各輪胎所受的摩擦力，在輪胎與試驗臺間建立X向單向力，利用函數關系賦予其值為：

式中：F1——某一輪胎受來自地面的縱向摩擦力，N；

FZ——該輪胎所受的地面支撐力，N；

μ——整車平均摩擦因數，其值等于制動減速度/g。

通過FZ函數可以時時提取對輪胎的支撐力，使各輪胎所受的摩擦力總和等于整車的慣性力，較好地反映了各工況下不同輪胎上力的分配關系。

3.2 車架外連點力的輸出

在對彎曲、轉向及制動等工況下軟件得到的各輪胎輪荷與數學模型計算輪荷對比校核后，進行全部工況的計算，并輸出車架外連點的力及力矩。因輸出內容較多，此處不再列出。

4 車架強度計算

4.1 強度分析

將輸出的外連點力和力矩施加到車架及貨箱總成模型的相應位置，利用慣性釋放法，進行車架強度求解。經分析，應力較大部件為左右縱梁、二橫梁及四橫梁連接板。且轉向工況下，縱梁上前板簧后吊耳處應力不滿足評價指標，詳細結構圖及應力云圖，如圖5和圖6所示。

圖5 貨車車架應力較大部位結構示意圖

圖6 轉向工況貨車車架縱梁應力云圖

因縱梁為車架總成的關鍵件，且轉向工況下縱梁安全系數未達到1.2，不滿足要求。

4.2 改進方案分析

為了降低縱梁處應力，可采用2種改進方案。

方案1：使用反扣的U型板將縱梁上下翼面連接起來，且在U型板兩邊開拋物線缺口，使剛度過渡均勻，如圖7所示。

圖7 貨車車架縱梁改進方案1結構示意圖

方案2：將縱梁厚度由4 mm調整為5 mm，加強板厚度由4 mm調整為3 mm。

經與設計人員溝通，結合廠家制造能力，最終確定采用方案2，其應力計算結果，如圖8所示。

圖8 轉向工況貨車車架縱梁應力云圖（改進后）

改進后縱梁最大應力為369 MPa，安全系數達到1.36，滿足設計要求。

5 結論

通過多軟件聯合建立了剛柔耦合的整車模型，完成了對車架強度的分析及改進，該分析方法優(yōu)點為：1）盡可能多地釋放了自由度，提高了計算準確度；2）考慮了不同垂向力對地面摩擦力的影響及輪胎剛度，與實際工況更接近；3）能明顯顯示車架變形，有利于改進方案的提出及對模型的理解；4）可以將串行的分析工作方式轉變?yōu)椴⑿校瑥亩岣叻治鲂剩?）有利于開展連接關系復雜部件的強度分析工作。