公交車車架有限元分析與靜力試驗(yàn)

□王 濤

長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院 西安 710064

1 車架概述

車架是汽車的基體，一般由兩根縱梁和多根橫梁組成，經(jīng)懸掛裝置、前橋、后橋支承在車輪上。車架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受汽車的載荷和從車輪傳來(lái)的振動(dòng)沖擊。

2 車架有限元分析

2.1 車架模型

在CATIA軟件中建立公交車車架模型，并將其導(dǎo)入Hypermesh軟件，進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，得到車架有限元模型，如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2.2 載荷與材料

公交車車架的最大加載質(zhì)量按最大乘員82人、每人65 kg計(jì)算。乘員載荷為53.3 kN，電池組等其它組成結(jié)構(gòu)載荷約13 kN，總載荷為66.3 kN。考慮一定的試驗(yàn)安全因數(shù)，試驗(yàn)載荷為60 kN。

車架材料選擇7075鋁，彈性模量為71 GPa，布氏硬度（HB）為 150，密度為 2 820 kg/m3。

2.3 工況應(yīng)力分析

彎曲工況主要是考慮汽車滿載狀態(tài)下，模擬汽車在良好路面上勻速行駛的應(yīng)力分布和變形情況[1-4]。在分析過(guò)程中，采用約束車架和懸架連接點(diǎn)的位移自由度來(lái)模擬整車的實(shí)際約束狀況，主要約束車架八個(gè)橫梁連接處的Z向平移和X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。經(jīng)有限元分析，得到應(yīng)力分布和位移分布，如圖2所示，可知：彎曲工況最大應(yīng)力為67.47 MPa，主要集中在車架的中部橫梁上；最大變形為1.742mm，主要集中在車架前端和后端的縱梁上。

圖2 彎曲工況車架應(yīng)力和位移分布

扭轉(zhuǎn)工況主要是考慮車架一側(cè)懸空時(shí)，車架的應(yīng)力和變形狀態(tài)，對(duì)汽車的定位精度和操縱穩(wěn)定性有十分重要的影響[5-6]?？紤]到車架的安全，變形不能過(guò)大，防止車架觸地，因此只對(duì)車架加載到330 kN。扭轉(zhuǎn)的約束狀況與彎曲類似，只是將左前端連接處的約束釋放。經(jīng)有限元分析，得到應(yīng)力和位移分布，如圖3所示。車架的最大應(yīng)力集中在車架懸空端的對(duì)側(cè)，以及車架的中部橫梁上，最大應(yīng)力為87.95 MPa。最大變形集中在車架懸空的一端，最大變形量為7.373 mm。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況車架應(yīng)力和位移分布

2.4 分析結(jié)果

由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合所用材料7075鋁的彈性模量約為7.2 GPa，可推算出在彎曲工況及扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，最大應(yīng)力分別為67.47 MPa、87.95 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所用材料的屈服極限（500 MPa）?？梢姡跐M載工況下，車架的剛度是足夠的。

3 靜力試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

靜力試驗(yàn)所需設(shè)備為電阻應(yīng)變片、位移計(jì)和TDS303數(shù)據(jù)采集儀等。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

在車架上布置71個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，包括3個(gè)典型焊縫區(qū)域。并選取橫、縱梁交叉節(jié)點(diǎn)作為車架結(jié)構(gòu)撓度曲線控制測(cè)點(diǎn)，布置10個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。對(duì)于此次測(cè)點(diǎn)的選取原則為有限元分析的高應(yīng)力區(qū)、經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的高應(yīng)力區(qū)、焊縫以及其它需要對(duì)比了解的應(yīng)力區(qū)。

圖4 車架位移測(cè)點(diǎn)分布

對(duì)于彎曲工況，支撐方式為在車架8個(gè)端口各用一個(gè)橡膠塊支撐固定。對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，支撐狀態(tài)去掉了右前懸架的兩個(gè)支撐點(diǎn)。加載方式為均布，且逐級(jí)加載，加載總載荷為66.3kN，如圖5所示。

圖5 靜力試驗(yàn)加載

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，對(duì)于彎曲工況，應(yīng)力主要分布在車架縱梁上，最大應(yīng)力為65.808 MPa，最大位移為4.23mm。彎曲工況加載前后各測(cè)點(diǎn)位移值見表1。

表1 彎曲工況各測(cè)點(diǎn)位移值mm

對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，應(yīng)力主要集中在車架懸空的對(duì)側(cè)，最大應(yīng)力為112.18 MPa，最大位移為18.37 mm。扭轉(zhuǎn)工況加載前后各測(cè)點(diǎn)位移值見表2。

表2 扭轉(zhuǎn)工況各測(cè)點(diǎn)位移值mm

4 誤差分析

經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)與仿真結(jié)果，可知兩者之間存在一定誤差。由于車架的某些位置存在焊縫，導(dǎo)致某些測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化很大，而且試驗(yàn)載荷難以如計(jì)算機(jī)載荷那樣分布均勻。除此之外，試驗(yàn)中采用的是橡膠支座支撐，具有一定的彈性，并不能完全限制相應(yīng)的自由度約束。綜合以上因素，去除應(yīng)力突變點(diǎn)，可知試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合?？梢姡窈笕粢獙?duì)此類車架進(jìn)行剛度試驗(yàn)，就要對(duì)車架每一個(gè)位置的焊縫進(jìn)行細(xì)致分析，在建立有限元模型時(shí)，要進(jìn)行特殊處理[7-11]，以盡量減小仿真誤差。

5 結(jié)論

經(jīng)有限元分析和靜力試驗(yàn)驗(yàn)證，基于應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，結(jié)合所用材料7075鋁的彈性模量約為7.2 GPa，得出在彎曲工況及扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，公交車車架所受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所用材料的屈服極限。因此，在滿載工況下，公交車車架的剛度是足夠的。