無副車架的渣土自卸汽車車架結構強度有限元分析

宋夫杰 程曉東 陳貫祥 劉大維

摘要：??針對渣土自卸汽車車架存在的安全問題，本文以某無副車架的渣土自卸汽車為研究對象，建立了無副車架的渣土自卸汽車的車架幾何模型，并對該車架的幾何模型進行網格劃分，建立有限元分析模型，同時采用HyperMesh有限元分析軟件，對車架的結構強度進行靜態分析。根據有限元計算結果，對車架結構進行改進設計。研究結果表明，在3種工況條件下，改進結構與原結構相比，最大應力值分別下降了31.01%，37.29%，36.63%，34.76%和42.89%，改進結構使車架應力大區域的強度有明顯提高，而且主副縱梁、橫梁及翻轉支座等構件的應力值也明顯減小;在舉升工況下，V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處的改進結構與原結構相比，應力值小于材料的屈服極限，基本滿足材料的屈服極限要求;改進車架結構的質量與原結構相比，增重30?kg，與有副車架的結構相比，減重70?kg，實現了汽車輕量化。該研究為企業實現汽車輕量化提供了參考依據。

關鍵詞：??渣土自卸汽車;?車架;?有限元分析;?輕量化

中圖分類號：?U463.32?文獻標識碼：?A

收稿日期：?2019-08-20;?修回日期：?2019-11-15

基金項目：??山東省重點研發計劃項目（2017CXGC0510）

作者簡介：??宋夫杰（1992-），男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向為汽車動態仿真與控制技術。

通信作者：??劉大維（1957-），男，吉林長春人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為汽車動態仿真與控制技術、地面-車輛系統與控制技術。Email：?qdldw@163.com

渣土自卸汽車是適用于城市內運輸要求的專用自卸汽車。渣土自卸汽車的車架，不但承擔發動機、底盤及裝載物的質量，而且還要承受汽車行駛及卸載過程中產生的各種力和力矩[1]，因此整車能否正常行駛及整車是否具有足夠的安全性能與車架是否可靠有密切關系。隨著有限元技術的飛速發展以及計算機硬件的進步，有限元技術在車架等汽車零部件的設計與分析中被廣泛應用[2-8]。許多研究者應用有限單元法進行計算，研究結構損壞的原因，找出危險區域和部位，提出改進設計的方案，并進行相應的計算分析，直到找到最優的方案為止。針對某半掛牽引車車架，劉大維等人[9-10]采用Nastran有限元分析軟件，建立了有限元分析模型，并對其在各種工況下的車架強度進行分析。同時，對半掛牽引車在使用過程中出現的車架異常斷裂問題，建立了以板殼單元為基本單元的半掛牽引車車架有限元分析模型，對車架強度進行靜態及模態分析，為半掛牽引車車架的設計及改進提供了參考依據;趙文杰[11]在汽車車架故障診斷中應用模態分析技術進行了進一步深層次的研究;王勇等人[12]對某重型載貨汽車車架動態特性進行了深入分析;宮喚春等人[13]為使車架具有更好的動態性，根據某電車車架的模態分析結果，對其結構進行了修改，定量地提出了改進措施，進一步改良了車架性能。基于此，本文主要對無副車架的渣土自卸汽車車架結構強度進行有限元分析，建立了無副車架的渣土自卸汽車的車架幾何模型，并對該車架的幾何模型進行網格劃分，同時采用HyperMesh有限元分析軟件，對車架結構強度進行了強度靜態分析。該研究滿足承載要求，為車架結構的設計與改進提供了理論依據。

1?車架結構的有限元模型

1.1?幾何模型的建立

本文以某無副車架的渣土自卸汽車為研究對象，某無副車架渣土自卸汽車的車架結構如圖1所示。該

車架主要由2根主縱梁，2根副縱梁和5根橫梁組成。車架長7?600?mm，前端寬992?mm，后端寬842?mm，整個車架是一個前寬后窄的變寬結構，橫梁與縱梁之間采用鉚釘連接。主縱梁的截面厚度為8?mm，副縱梁的截面厚度為5?mm，車架的駕駛室承載、舉升油缸、翻轉支座及各個橫梁的布置基本繼承原結構。

1.2?建立有限元模型

1）?在HyperMesh軟件中，打開車架三維幾何模型，并進行網格劃分。主副縱梁及各橫梁等鋼板結構部件采用邊長為10?mm的四邊形和三角形的混合板殼單元進行劃分;對于駕駛室承載、彎管梁、舉升支座以及V推橫梁等鑄件，采用邊長為10?mm的四面體單元進行劃分。

2）?在車架主副縱梁、橫梁、舉升支座及翻轉支座等構件之間采用鉚釘、螺栓及焊接這3種連接方式。將各構件之間的每個裝配孔邊緣的單元節點與裝配孔中心采用剛性單元，建立約束關系來模擬鉚釘和螺栓裝配關系[14];將構件之間相鄰網格的節點采用剛性單元rigids建立約束關系來模擬焊接裝配關系[15-16]。

3）?由懸架系統變形情況可以得到車架在實際使用過程的真實應力分布情況。本文利用HyperMesh軟件中的Beam梁單元模擬鋼板彈簧，根據鋼板彈簧的彎曲剛度和長度，確定模擬鋼板彈簧的梁單元截面尺寸及形狀，保證梁單元與實際鋼板彈簧具有同樣的力學特征。鋼板彈簧與車架之間由吊耳連接，采用剛性單元RBE2，模擬板簧與吊耳之間力傳遞的支座[17]。

4）?車架的縱梁及橫梁所采用的材料為ZQS500L鋼板，車架材料的性能參數如表1所示。車架結構的有限元模型如圖2所示，包括3?682?585個單元數和1?067?864個節點數。

1.3?邊界條件的確定

在本文建立的車架有限元模型中，前橋的作用力通過前鋼板彈簧傳遞到車架上，因此將前橋的約束點確定在前鋼板彈簧的中心處，而后橋約束點確定在后鋼板彈簧的兩端節點處。

1.4?載荷的處理

當車輛滿載時，作用于車架上的載荷包括駕駛室、發動機、變速箱、液壓缸、燃油箱、蓄電池、車箱及貨物的載荷。計算過程中各個部分載荷如下：駕駛室質量1?500?kg，發動機質量950?kg，變速箱質量430?kg，液壓缸質量300?kg，燃油箱質量300?kg，蓄電池質量150?kg，車箱質量4?000?kg，貨物滿載質量為2.2×104?kg。

在計算過程中，車架有限元模型的質量平均分配到各單元上;駕駛室、發動機、變速箱、燃油箱、蓄電池的質量簡化為均布載荷，并按其作用的位置分配到相應的支撐單元上;液壓缸的質量按其作用位置簡化為集中載荷，分配到相應的支撐節點上;由整車裝載質量產生的載荷，通過車箱傳給車架。在靜載狀態下，車箱和車架之間的作用力以均布載荷的形式傳遞，而在舉升等動載狀態下，以集中力的形式傳遞，兩種狀態下力的傳遞并非完全傳遞，而是與車箱的剛度有關。以鋼-鋼結構連接的車箱與車架，車箱剛度對車架剛度有一定的貢獻，因此車箱和車架共同承擔總載荷，其承受載荷的比例約為3∶7;以木-鋼結構連接的車箱與車架，由于車箱剛度較小，不超過總載荷的6%，且由車箱承擔，因此總載荷基本上是由車架承受[18]。本文所研究的無副車架的渣土自卸汽車，其車架與車箱之間的連接屬于鋼-鋼連接，因此，車架所承受的載荷按照總載荷的7/10計算。

在3種典型工況下，對渣土自卸汽車進行如下計算：

1）?車輛滿載彎曲工況。在平直良好的路面上，當車輛勻速正常行駛時，車架主要承受彎曲載荷，產生彎曲變形，用彎曲工況來模擬，此時的動載系數取2.5[19]。

2）?車輛滿載扭轉工況。在不平的路面上，當車輛低速行駛時，車架受到的是扭轉載荷，具體為3個車橋中某個車輪抬高某一高度，同時其對角的車輪降低同一高度，其他車輪保持在水平路面上。本文假設左前軸抬高25?mm，左中、后軸降低25?mm;右前軸降低25?mm，右中、后軸抬高25?mm;形成正負50?mm的高度差，等同于車輛某一車輪抬高100?mm，或某一車輪降低100?mm。動載系數取1.3[20]。

3）?車輛滿載舉升工況。舉升過程中，舉升角度的變化會使車箱對車架舉升反力發生變化。由于舉升過程緩慢，舉升過程中產生的慣性力可以忽略，這樣可使車箱在任何時刻都處于靜力平衡狀態。本文取3個角度舉升狀態進行計算，舉升角度分別為0°，20°，30°，并且為模擬車輛在平直良好的路面上和不平路面上發生舉升工況，將每個角度的舉升分為平地舉升和扭轉舉升;扭轉舉升時，左側中、后軸抬高25?mm，右側中、后軸降低25?mm，形成正負25?mm的高度差，等同于中、后軸某一車輪抬高或降低50?mm。

在滿載彎曲及滿載扭轉工況加載條件下，車架的載荷分布圖如圖3所示。當車箱舉升角為0°，20°和30°時，裝載為22?000?kg時，車架舉升工況載荷分布圖如圖4所示，車架舉升支座和翻轉支座受力情況如表2所示。

2?計算結果與對比分析

2.1?車架結構滿載彎曲工況的計算結果與分析

車架滿載彎曲工況應力分布圖如圖5所示。由圖5可以看出，在車輛滿載彎曲工況下，該車架結構整體較大應力位于車架的中后部分，即圖5中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個位置。車架整體最大應力為714.30?MPa，位于車架主縱梁、副縱梁及V推支座橫梁之間后端的鉚釘連接處。另外兩處較大應力分別為697.62?MPa（Ⅰ位置）和658.40?MPa（Ⅱ位置），分別位于第2橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處以及第3橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處。這3個位置的應力已超過材料的屈服極限，在實際應用中，主副縱梁及橫梁等構件會發生斷裂，不滿足使用要求。

2.2?車架結構滿載扭轉工況的計算結果與分析

車架滿載扭轉工況應力分布圖如圖6所示。由圖6可以看出，在車輛滿載扭轉工況下，該車架結構整體較大應力位于車架的中后部分，即圖6中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個位置。車架整體最大應力為708.51?MPa，位于V推支座橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處。另外兩處較大應力分別為704.60?MPa（Ⅰ位置），644.65?MPa（Ⅱ位置），分別位于第2橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處、第3橫梁與主副縱梁的鉚釘連接處，這3個位置的應力均已超過材料的屈服極限。在實際應用中，主副縱梁及橫梁等構件會發生開焊及斷裂，不能滿足使用要求。

2.3?車架結構滿載舉升工況的計算結果與分析

本文假設無副車架渣土自卸汽車在平直良好的路面上發生舉升工況，即對車架有限元模型在平舉工況加載條件下進行模擬計算。

車架滿載0°平舉工況應力分布圖如圖7所示。由圖7可以看出，在車輛滿載0°平舉工況下，該車架結構整體較大應力位于車架的舉升支座、V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉支座等部分，即圖8中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個位置。車架整體最大應力為428.97?MPa，位于車架主縱梁、副縱梁及V推支座橫梁之間的鉚釘連接處。另外兩處較大應力分別為300.62?MPa（Ⅰ位置）和407.34?MPa（Ⅲ位置），分別位于舉升支座的焊接處、翻轉支座焊接處。這3個位置的應力均小于材料的屈服極限，在實際應用中，主副縱梁、橫梁及翻轉支座等構件滿足使用要求。

車架滿載20°平舉工況應力分布圖如圖8所示。由圖8可以看出，在車輛滿載20°平舉工況下，該車架結構整體較大應力位于車架的V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉支座等部分，即圖8的Ⅰ、Ⅱ這2個位置。車架整體最大應力為474.27?MPa，位于翻轉支座焊接處。另外一處較大應力為457.04?MPa（Ⅰ位置），位于V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處。這2處的應力均小于材料的屈服極限，在實際應用中，主副縱梁、橫梁及翻轉支座等構件滿足使用要求。

車架滿載30°平舉工況應力分布如圖9所示。由圖9可以看出，在車輛滿載30°平舉工況下，該車架結構整體較大應力位于車架的V推支座橫梁與主副縱梁的連接處以及翻轉支座等部分，圖示Ⅰ、Ⅱ兩個位置。車架整體最大應力為513.15?MPa，位于翻轉支座焊接處，另外一處較大應力為476.31?MPa（Ⅰ位置），位于V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處。這2處的應力均小于材料的屈服極限，在實際應用中，主副縱梁、橫梁及翻轉支座等構件滿足使用要求。

3?結構改進及計算

由以上分析結果可知，在彎曲工況及扭轉工況加載條件下，車架的某些部件的應力值超過了材料的屈服極限，不滿足使用要求，因此對車架結構進行改進設計，主縱梁的截面厚度改為10?mm，副縱梁的截面厚度改為4?mm，車架的駕駛室承載、彎管梁、橫梁、舉升支座、V推支座橫梁以及翻轉支座的布置基本與原結構相同。改進后車架各工況有限元分析結果與原結構分析結果進行對比，車架滿載彎曲工況下的相對變化如表3所示，車架滿載扭轉工況下的相對變化如表4所示，車架滿載0°平舉工況下的相對變化如表5所示，車架滿載20°平舉工況下的相對變化如表6所示，車架滿載30°平舉工況下的相對變化如表7所示。

由表3～表7可以看出，在上述3種工況下，改進結構與原結構相比，最大應力值分別下降了31.01%，37.29%，36.63%，34.76%，42.89%，可見改進結構，車架應力大區域的強度明顯提高;在各工況加載條件下，主副縱梁、橫梁以及翻轉支座等構件，應力值也明顯減小;在舉升工況下，V推支座橫梁與主副縱梁鉚釘連接處改進結構與原結構相比較，應力值有所增大，但是應力值小于材料的屈服極限;若不考慮鉚釘連接處及焊接處應力集中的影響，基本滿足材料的屈服極限要求。改進車架結構的質量為934?kg，與原結構相比增重30?kg，但是相比有副車架的結構減重70?kg，實現汽車輕量化。

4?結束語

本文利用某公司提供的渣土自卸汽車車架結構，在保留主車架的基本結構，刪除原結構副車架的基礎上，建立了無副車架渣土自卸汽車車架的幾何模型。利用HyperMesh軟件建立有限元分析模型，提出了車架各工況載荷處理及邊界條件的處理方法，并對車架進行了彎曲工況、扭轉工況以及舉升工況的有限元分析。根據有限元計算結果，對車架結構進行改進設計，得到滿足材料屈服極限和使用要求的車架結構。該研究在理論上實現了對渣土自卸汽車的輕量化，為車架結構的改進設計提供了依據。本文只針對無副車架渣土自卸汽車車架結構及改進設計方案進行了結構強度分析，而沒有對其進行有限元疲勞分析，因此今后可在本文所建立的無副車架渣土自卸汽車車架有限元分析模型的基礎上，對其改進后的結構進行疲勞分析，以確保改進后的無副車架渣土自卸汽車的車架結構疲勞壽命滿足使用要求。

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Finite?Element?Analysis?of?Structure?Strength?of?Slag?Dump?Truck?Frame?without?SubFrame

SONG?Fujie1，?CHENG?Xiaodong2，?CHEN?Guanxiang2，?LIU?Dawei1

（1.?School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China;2.?Sino?Truk?Special?Purpose?Vehicle?Company，?Qingdao?266031，?China）

Abstract：??Aiming?at?the?safety?problems?of?the?dump?truck?frame，?this?article?takes?a?dump?truck?without?a?subframe?as?the?research?object.?The?geometric?model?of?dump?truck?frame?without?subframe?is?established.?And?the?geometric?model?of?the?frame?is?meshed?to?establish?the?finite?element?analysis?model.?At?the?same?time，?HyperMesh?finite?element?analysis?software?is?used?to?perform?static?analysis?on?the?structural?strength?of?the?frame.?According?to?the?results?of?finite?element?calculation，?the?frame?structure?is?improved?and?designed.?The?research?results?show?that，?after?the?improved?structure?is?compared?with?the?original?structure?under?three?working?conditions，?the?maximum?stress?values?are?decreased?by?31.01%，?37.29%，?36.63%，?34.76%?and?42.89%，?respectively.?The?improved?structure?makes?the?strength?of?the?frame?stress?area?significantly?improved.?In?addition，?the?stress?values?of?the?main?and?auxiliary?longitudinal?beams，?beams?and?overturning?supports?are?also?significantly?reduced.?Under?the?lifting?condition，?the?improved?structure?at?the?joint?between?the?V?push?bearing?beam?and?the?main?and?auxiliary?longitudinal?beam?rivets?has?a?stress?value?less?than?the?material's?yield?limit?compared?with?the?original?structure，?which?basically?meets?the?material's?yield?limit?requirement.?Compared?with?the?original?structure，?the?weight?of?the?improved?frame?structure?is?increased?by?30?kg.?Compared?with?the?structure?with?the?auxiliary?frame，?the?weight?of?the?improved?frame?structure?is?reduced?by?70?kg.?This?research?has?achieved?the?weight?reduction?of?automobiles?and?provides?a?reference?for?companies?to?realize?lightweight?vehicles.

Key?words：??dump?truck;?frame;?finite?element?analysis;?lightweight