某重型越野汽車車架的結構強度與疲勞校核

楊先鋒，李沖天，姚旿冰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

車架作為整車的骨架，是支承連接汽車各零部件，并承受來自車內外的各種載荷，是汽車的基體，汽車的絕大多數部件和總成都是通過車架來固定其位置的。因此，車架的結構是否合理，強度、剛度是否滿足復雜工況要求尤為重要。

1 有限元模型的建立

采用三維繪圖軟件 Pro/E建立實體模型，通過標準格式.stp輸入有限元分析前處理軟件Hypermesh補充完善的方法建模。車架總成中的鈑金件采用抽取幾何中性面，對其進行網格劃分的方法來建立二維面網格，模型的單元類型包括二維四邊形單元和三角形單元。鍛件、鑄件，先通過二維面網格單元劃分，再生成三維體網格，模型的單元類型包括四面體單元，五面體單元和六面體單元。其余連接單元如螺栓、鉚釘，則利用剛性單元Rbe2、Rbe3和賦以材料屬性的B31單元進行模擬，它們與質量Masses等均為一維單元，建立的有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型

表1 車架及連接部分的材料

車架及連接部分的材料見表1。

2 車架剛度校核

采用非線性分析軟件 Abaqus對車架的彎曲剛度、扭轉剛度及幅值的變化情況進行有限元法計算分析。

2.1 彎曲剛度

2.1.1 彎曲剛度邊界條件

結合車架的實際情況，對車架進行彎曲剛度分析所采用的邊界條件見圖2。

圖2 彎曲剛度分析所采用的邊界條件

圖3 彎曲剛度位移云圖

2.1.2 彎曲剛度位移云圖

分析得到的彎曲剛度位移云圖見圖3。

2.1.3 彎曲剛度計算結果

式中：CB—彎曲剛度(N.m2)；

a—軸距(m)；

F—集中載荷(N)，集中載荷F大小為1000N；

h—集中載荷作用點處的撓度均值(m)。

2.2 扭轉剛度

2.2.1 扭轉剛度邊界條件

對車架進行扭轉剛度分析所采用的邊界條件見圖4。

圖5 扭轉剛度位移云圖

2.2.2 扭轉剛度位移云圖

分析得到的扭轉剛度位移云圖見圖5。

2.2.3 扭轉剛度計算結果

式中：CT —扭轉剛度(N·m2/°)；

T=FB，B—力臂(m)，F—集中載荷(N)，集中載荷F大小為1000N；

L—軸距(m)；

h—平均撓度(m)；

表3 扭轉剛度計算結果

3 車架強度校核

綜合分析該車的工作狀況，重點考察純彎和后橋懸空、左后輪下降150mm、右后輪上抬220mm、前輪上抬220mm、前左、右后車輪同時懸空等扭轉工況下車架總成和懸架橫臂及橋殼應力幅值變化。動載系數取為1.5。

質量載荷的處理：

（1）以汽車坐標系作為基準和參照，計算和確定相應零部件的重心，并以該重心坐標作為主點(以此作為定義質量單元的節點)，承受重力的網格節點為從點，建立一維單元Rbe3，將質量單元分配至承受重力網格節點。

（2）通過重心節點創建質量單元 Masses，完成質量載荷的施加；如駕駛室、發動機、油箱、電瓶箱、分動器的質量載荷等均是定義為Masses單元。

（3）重力加速度大小及方向：以汽車坐標系中 Z軸的負方向作為重力加速度的方向，大小為g =9800mm/s2（作用于具有材料屬性—密度的單元模型上）。

3.1 純彎工況

3.1.1 純彎工況邊界條件

圖6 純彎工況下車架的邊界條件

純彎工況下車架的邊界條件見圖6。

3.1.2 縱梁應力結果見圖7

最大應力129.6MPa，位于前橋處。

圖7 縱梁應力結果

3.1.3 內加強梁應力結果見圖8

最大應力172.7MPa，位于最前端。

圖8 內加強梁應力結果

3.1.4 橫梁應力結果見圖9

最大應力84.13MPa。

圖9 橫梁應力結果

圖10 管梁應力結果

3.1.5 管梁應力結果見圖10

最大應力65.38MPa，位于其右側。

3.1.6 連接板應力結果見圖11

最大應力12.18MPa。

圖11 連接板應力結果

圖12 工字梁應力結果

3.1.7 工字梁應力結果見圖12

最大應力8.106MPa。

3.1.8 尾梁應力結果見圖13

最大應力361.9MPa。

圖13 尾梁應力結果

3.2 扭轉工況

扭轉工況主要分為以下兩種情況考慮：工況 1：右前輪下移200mm；工況2：右后輪上抬200mm。

3.2.1 右前輪下移200mm的扭轉工況

3.2.1.1 右前輪下移 200mm的扭轉工況邊界條件見圖14。

圖14 右前輪下移200mm的扭轉工況邊界條件

3.2.1.2 縱梁應力結果見圖15，最大應力219.2MPa，位于前橋處。

圖15 縱梁應力結果

3.2.1.3 內加強梁應力結果見圖16，最大應力270.1MPa，位于最前端。

圖16 內加強梁應力結果

3.2.1.4 橫梁應力結果見圖17，最大應力270.6MPa。

3.2.1.5 管梁應力結果見圖18，最大應力197.4MPa，位于其右側。

圖17 橫梁應力結果

圖18 管梁應力結果

3.2.1.6 連接板應力結果見圖19，最大應力113.8MPa。

圖19 連接板應力結果

3.2.1.7 工字梁應力結果見圖20，最大應力71.15MPa。

圖20 工字梁應力結果

3.2.1.8 尾梁應力結果見圖21，最大應力103.0MPa。

圖21 尾梁應力結果

3.2.2 右后輪上抬200mm的扭轉工況

3.2.2.1 右后輪上抬 200mm的扭轉工況邊界條件見圖22。

圖22 右后輪上抬200mm的扭轉工況邊界條件

3.2.2.2 縱梁應力結果見圖23，最大應力203.2MPa，位于前橋處。

圖23 縱梁應力結果

3.2.2.3 內加強梁應力結果見圖24，最大應力230.0MPa，位于最前端。

圖24 內加強梁應力結果

3.2.2.4 橫梁應力結果見圖25，最大應力284.2MPa。

3.2.2.5 管梁應力結果見圖26，最大應力186.1MPa，位于其右側。

圖26 管梁應力結果

圖25 橫梁應力結果

3.2.2.6 連接板應力結果見圖27，最大應力106.9MPa。

圖27 連接板應力結果

3.2.2.7 工字梁應力結果見圖28，最大應力為72.01MPa。

3.2.2.8 尾梁應力結果見圖29，最大應力為87.04MPa。

圖28 工字梁應力結果

圖29 尾梁應力結果

圖30 制動工況邊界條件

3.3 制動工況

3.3.1 制動工況邊界條件見圖30

3.3.2 縱梁應力結果見圖31

最大應力123.8MPa，位于前橋處。

圖31 縱梁應力結果

圖32 內加強梁應力結果

3.3.3 內加強梁應力結果見圖32

最大應力168.1MPa，位于最前端。

3.3.4 橫梁應力結果見圖33

最大應力78.41MPa。

3.3.5 管梁應力結果見圖34

最大應力82.89MPa，位于其右側。

3.3.6 連接板應力結果見圖35

最大應力11.71MPa。

圖33 橫梁應力結果

圖34 管梁應力結果

圖35 連接板應力結果

圖36 工字梁應力結果

3.3.7 工字梁應力結果見圖36

最大應力9.164MPa。

3.3.8 尾梁應力結果見圖37

最大應力9.213MPa。

圖37 尾梁應力結果

3.4 分析結果列表

將以上的純彎分析和扭轉工況的分析結果列表，見表4。

表4 分析結果列表

4 結論

綜上所述利用有限元的方法對車架的彎曲剛度、扭轉剛度以及制動工況時的剛度、強度的分析計算可以看出均在允許范圍內，滿足設計要求。