基于ANSYS Workbench的貨車車架有限元分析

劉丙曉

（河北工程大學，河北 邯鄲 056000）

基于ANSYS Workbench的貨車車架有限元分析

劉丙曉

（河北工程大學，河北 邯鄲 056000）

ANSYS Workbench是ANSYS求解實際問題的新一代平臺產品，集成了ANSYS旗下大部分軟件，可以更加高效、精確地解決工程問題[1]。文章以某貨車車架為目標，對其進行了靜力學分析。運用三維建模軟件SolidWorks對車架進行建模，并通過ANSYS Workbench17.0進行分析計算，求得不同工況下車架的變形量與應力值，為車架的設計提供可靠的參考數據。

ANSYS Workbench；有限元；貨車車架；靜力學分析

前言

汽車車架是發動機、變速器等總成的承載體，由縱梁與橫梁組成，承載了車輛行駛中的各種載荷，其設計的強度和剛度對整車性能有著舉足輕重的影響[2]。在汽車結構設計中，對于車架的設計十分重要，而且最為耗時。由于縱梁與橫梁的交叉連接使得承重后的車架內部受力變得復雜，所以要使得車架滿足強度、剛度標準是一項很復雜的工作。在以往的設計中大多是通過類比與經驗完成對車架的參數設計，但是需要較大的計算量且數據結果精確度不高。隨著軟件技術的發展，ANSYS Workbench脫穎而出，多被用于有限元分析。本文在此基礎上對某貨車車架進行了有限元分析研究。

1 車架基本參數及模型

本文是在某小型貨車車架基礎上，根據新的設計要求，對車架參數進行數據改進和仿真。在進行仿真分析前，首先要確定貨車的總體布置形式，然后在此基礎上初步設計車架的各個參數，比如橫梁、縱梁的尺寸參數選擇。其次運用SolidWorks對車車架進行三維建模，由于只是對車架進行靜力學的分析，故在不影響結果準確性的前提下，在建模過程中對車架及其附件進行簡化。最后將模型導入到 ANSYS Workbench中，進行不同工況下的有限元靜力學分析，以完成對車架的強度、剛度校核。

該貨車車架為邊梁式車架，由2根縱梁，6根橫梁鉚接而成，前后等距。車架全長 6250mm，軸距 3600mm，寬756mm，高196mm。模型如圖1所示。

圖1

2 載荷與網格劃分

車架的載荷由多個部分組成，在建立車架有限元模型時，必須對載荷進行適當處理，以便施加在單元和節點上[3]。本文在進行載荷添加時，忽略車架自身重量，將駕駛室與其它總成重量作為一個整體G1進行集中載荷添加。將貨箱重量與載重重量作為另一部分載荷 G2進行均布載荷添加，且 G1=9700N，G2=25000N。

在對車架有限元模型進行網格劃分時，由于車架模型整體較規則，選擇自由網格劃分，相關度選擇為60。劃分結果如圖2所示。

圖2

3 車架滿載彎曲工況分析

有限元模型的四個支撐點選擇為對應的輪心位置，將G1，G2分別施加到相應部位，計算靜強度時，變形量需滿足要求，同時最大應力值不能大于許用應力。

彎曲工況邊界條件如下表1所示。

表1

計算滿載彎曲工況結果如下圖所示，可以看出最大變形量約為0.7mm，較大變形量集中區位于第三橫梁與第四橫梁之間，滿足變形量要求。產生原因在于載貨重量的數值大于前端駕駛室及發動機總成重量。尾部出現最大變形量的原因是由于滿載時車架后部受到的載荷要大于前部[4]，產生的位移會相應地變大。

圖3 滿載彎曲工況變形圖

由應力云圖可知，車架所受應力比較均勻，最大應力點位于第二橫梁與左縱梁交叉區域以及第五橫梁處。最大應力值約為25MPa，小于許用應力400MPa，符合要求。

圖4 車架滿載應力圖

圖5 局部應力圖

4 車架扭轉工況分析

貨車在行駛過程中會受到路面不平度的影響，這種情況下車架將承受扭轉載荷，為了模擬此工況下車架的受力，可以對左前輪進行懸空處理。邊界條件如下表2所示。

表2

由云圖可知，變形量較大的部分位于左前輪區域，最大變形量約為2.2mm，與左前輪懸空有很大的原因。在扭轉工況下車架整體的變形量不大。

圖6 扭轉工況變形圖

從分析云圖可知，滿載扭轉時最大的應力點出現在第一橫梁與縱梁交叉處，約為 330MPa，小于材料的許用應力，但此時屬于較危險工況。其它應力集中區域出現在第二橫梁與縱梁的連接處。在此工況下，該車架滿足要求。

圖7 扭轉工況應力圖

圖9 局部應力圖

5 緊急制動工況分析

貨車在行駛過程中，往往會因為道路交通情況而進行制動，尤其是緊急制動，會對車架造成較大的影響，嚴重時致使車架出現開裂狀況。由于速度的改變，會產生慣性力，會是車架產生于行駛方向相反的縱向載荷。縱向載荷與制動減速度、車載質量相關，慣性力的大小取決于制動減速度的大小。為了模擬該工況，在車架的Y方向施加0.7×9800mm/s2，且釋放所有支撐點的轉動自由度[5]。邊界條件如下表3所示。

表3

由位移云圖可知，車架最大位移出現在尾部，大小約為0.8mm，較大位移區域還出現在車架中部，位移數值較小，滿足要求。

圖8 緊急制動車架變形圖

由應力云圖可知，在慣性力作用下，車架最大應力為33MPa，遠小于許用應力。同時車架的第二、五橫梁與區域受到應力較大。應力集中對車架的壽命影響較大，所以在設計階段，需要采取一定的措施來減少車架的應力集中區域，應避免應力集中過大對車架帶來的各種影響。

圖9 緊急制動車架應力圖

6 總結

通過ANSYS Workbench對車架進行三種工況下的受力分析，可以檢驗車架是否滿足基本的設計要求。在所得云圖中，可以找到不同工況下的車架最大位移區域以及最大應力區域，均在設計要求的范圍內，同時證明了該車架基本滿足要求。但是，接下來還需要分析數據結果，對最大的應力點以及最大位移點采取一定的結構改進，以消除應力集中對車架帶來的損害。通過前面的分析發現，不同工況下出現的最大應力部位是不同的，其中扭轉工況出現的應力較大，是比較危險的工況，有必要進行一定的改進與仿真分析，最終得到具有一定實際參考意義的分析數據。因此對車架的改進提出以下幾點措施：

（1）增加第六橫梁壁厚，并在此處增加肋板，以減小其變形。

（2）避免在第二、五橫梁與縱梁連接處打孔，以減小應力集中。

（3）在布置負荷時，盡量使負荷直接作用在橫梁上，以減小扭轉工況下的車架形變。

（4）在滿足基本強度要求下，選擇截面尺寸較小的縱梁，以減小車架自重。

[1] 喻永巽. ANSYS Workbench的應用現狀及分析[J]. 機電工程技術,2014,(09):138-140.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3] 孫艷鵬. 載重汽車車架有限元分析及優化[D].重慶交通大學,2008.

[4] 柏林. 重型載貨汽車車架有限元分析及拓撲優化[D].合肥工業大學,2010.

[5] 牟昊. 典型貨車車架結構有限元分析與優化設計研究[D].武漢理工大學,2011.

Finite element analysis of freight car frame based on ansys workbench

Liu Bingxiao
（Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056000）

ANSYS Workbench is a new generation of platform products for ANSYS to solve practical problems, it integrates most of ANSYS's software to solve engineering problems more efficiently and accurately[1]. Taking a truck frame as the goal, it was carried out static analysis. Using the SolidWorks modeling of the frame, and through ANSYS Workbench17.0 for analysis and calculation. Calculated deformation amount and stress value of the frame in different conditions, to provide reliable data for the reference frame design. Calculated deformation amount and stress value of the frame in different conditions, to provide reliable data for the reference frame design.

ANSYS Workbench; Finite element; Truck frame; Static analysis

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-157-03

U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-157-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.052

劉丙曉，就讀于河北工程大學，碩士研究生，汽車輕量化。