車架橫梁截面對承載性能影響的仿真分析

黃 虎，史鳳波，孫船斌，童寶宏，紀(jì) 俊

（1.安徽福馬汽車零部件集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243100；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

車架作為整個卡車的承載基體，承受著貨箱及其中的貨物、駕駛室、動力總成及其他各類總成等整個卡車幾乎所有的簧上質(zhì)量。當(dāng)卡車行駛在凹凸不平的路面上時，也承受著極其復(fù)雜的靜動態(tài)載荷，可能會受到超過車架本身許用應(yīng)力的垂直方向的沖擊載荷。在不同的行駛工況下，卡車車架可能會出現(xiàn)局部過載等各種不利現(xiàn)象，這些不利現(xiàn)象可能會導(dǎo)致車架的過度變形，甚至產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。因此，研究卡車車架橫梁的承載性能就顯得十分重要。

國內(nèi)外不少文獻(xiàn)對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析［1－4］。Kim H S等［5］對車架施加極限靜態(tài)載荷，然后研究這種情況下車架的失效表現(xiàn)形式，并探究了這種失效對車架的影響。Ao K等［6］提供了歸納有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析結(jié)果的方法，并利用獲得的結(jié)果指導(dǎo)車架的后續(xù)設(shè)計(jì)與分析。鐘佩思等［7］針對易發(fā)生疲勞破壞的貨車車架，分析了車架在不同工況下的強(qiáng)度與剛度，從而找出了發(fā)生疲勞破壞的原因，并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)以往的分析經(jīng)驗(yàn)對車架進(jìn)行了優(yōu)化。楊希志等［8］研究了某型卡車的橫梁性能，通過對不同結(jié)構(gòu)形式的車架橫梁進(jìn)行分析，還將不同形式的橫梁置于中體車和寬體車中進(jìn)行模態(tài)分析，最終對比得出了各種結(jié)構(gòu)形式橫梁的優(yōu)缺點(diǎn)。何懼等［9］通過三維建模之后，在不同工況下對四種結(jié)構(gòu)形式的橫梁進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分析概括了四種橫梁在不同工況下的優(yōu)劣，最終獲得了較好的選擇。

本文首先利用有限元分析軟件ABAQUS建立某輕型載貨車輛車架的幾何模型和有限元模型，分析滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載制動和滿載轉(zhuǎn)彎的加載條件，并在這四種工況下，對比分析不同工況下車架的應(yīng)力和變形，研究不同截面橫梁對車架承載性能的影響。

1 車架有限元模型

本文以某兩軸輕型廂式貨車車架為研究對象，該貨車車架采用的是兩根槽型的縱梁和六根槽型的橫梁通過焊接而成的邊梁式結(jié)構(gòu)，車架材料為Q345，貨車主要參數(shù)如表1所示。

表1 貨車主要參數(shù)

設(shè)定網(wǎng)格尺寸為20mm，車架模型劃分網(wǎng)格后獲得119 882個節(jié)點(diǎn)、38 660個單元，如圖1所示。

圖1 車架網(wǎng)格劃分

2 不同工況約束和加載分析

駕駛室和乘員的質(zhì)量為500kg，滿載時貨物和貨箱的質(zhì)量為6 000kg，將這些載荷均勻分布到相應(yīng)車架位置。進(jìn)行車架承載性能分析時，為保證一定的安全系數(shù)，需要考慮分布質(zhì)量的動載系數(shù)。不同行駛工況下，車架發(fā)生的主要變形有較大區(qū)別。下面對載貨車輛在不同工況下的約束和加載進(jìn)行分析。

（1）滿載彎曲工況。該工況模擬載貨車輛在較平坦道路勻速行駛，車架除了受所載貨物、駕駛室及其內(nèi)部乘員的重力，還要額外承受路面顛簸引起的垂向沖擊，在這些載荷和懸架系統(tǒng)的約束下，車架會發(fā)生彎曲變形。通過限制各車輪垂直方向的位移，可以達(dá)到相同的約束效果。

（2）滿載扭轉(zhuǎn)工況。該工況模擬載貨車輛在坑洼道路勻速行駛，前后左右輪胎會出現(xiàn)較大程度的抬高和下陷。在約束一側(cè)輪胎垂向位移的基礎(chǔ)上，同時對一側(cè)前輪降低10mm，另一側(cè)后輪抬高10mm，通過對角輪胎位移差使車架發(fā)生扭曲。

（3）滿載制動工況。該工況模擬載貨車輛在突發(fā)情況下緊急剎車，可以在滿載彎曲工況下疊加制動作用。為模擬制動效果，對車架及連接部件施加相反的慣性加速度，本文選定制動慣性為0.6g。

（4）滿載轉(zhuǎn)彎工況。該工況模擬載貨車輛轉(zhuǎn)彎，可以在滿載彎曲工況下疊加轉(zhuǎn)彎引起的側(cè)向慣性作用，本文選擇的轉(zhuǎn)彎側(cè)向慣性加速度為0.2g。

設(shè)定X軸為貨車側(cè)向，Y軸為垂直向上方向，Z軸為貨車前進(jìn)方向，滿足笛卡爾右手法則。各工況下的動載系數(shù)和約束如表2所示。

3 截面形狀對橫梁承載性能影響

本文選取三種截面橫梁作為具體研究對象：槽型橫梁截面尺寸為寬80mm、高140mm、厚度5mm；矩形截面尺寸為寬80mm、高140mm、厚度5mm；圓型截面尺寸為直徑110mm、厚度5mm。以下為不同工況下，依次改變橫梁截面形狀（槽型橫梁、矩形橫梁和圓型橫梁），通過ABAQUS軟件進(jìn)行車架的應(yīng)力和位移分析。

表2 不同工況動載系數(shù)和約束

3.1 滿載彎曲工況

對不同截面橫梁的車架進(jìn)行加載和約束，獲得了車架的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

從圖2可知：整個車架應(yīng)力變化主要集中在前輪和后輪的位置附近，尤其在后輪位置，整個車架的應(yīng)力從車輪位置向兩端逐漸變小，這是由于前后車輪位置是車架向地面的載荷傳遞點(diǎn)；槽形橫梁、矩形橫梁、圓管形橫梁的車架最大應(yīng)力分別為99.02MPa、99.02 MPa、103.5MPa，最大應(yīng)力位于后輪支撐處。三種形狀橫梁車架的位移最大值均位于車架第三根橫梁位置，最大位移分別為1.065mm、1.02mm、1.48mm。三種截面橫梁車架在滿載彎曲下的應(yīng)力和位移變化是一致的，其中槽形截面與矩形截面橫梁最大應(yīng)力和位移值基本一樣，但從圖2中可以看出矩形截面明顯降低了車架前部橫梁的應(yīng)力變化，圓形截面橫梁的最大應(yīng)力和位移均較為惡劣。

3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

圖3為三種截面橫梁車架在滿載扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖。

圖2 滿載彎曲工況下車架應(yīng)力云圖

圖3 滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架應(yīng)力云圖

從圖3可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁車架的最大應(yīng)力分別為280.4MPa、281.4MPa和256.1 MPa，也都是處于后橋處；三種橫梁車架的應(yīng)力分布都是在前后橋位置向兩端逐漸減小，其中槽形截面與矩形截面橫梁最大應(yīng)力值基本一樣，而圓形橫梁的應(yīng)力極值最小。在滿載扭轉(zhuǎn)工況下，三種截面橫梁車架的最大位移分別為7.02mm、6.97mm、5.22mm，均位于車架第三根橫梁位置，圓形截面橫梁明顯降低了車架位移。

3.3 滿載制動工況

圖4為三種截面形狀橫梁車架在滿載制動工況下的應(yīng)力云圖。

圖4 滿載制動工況下車架應(yīng)力云圖

從圖4可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁的最大應(yīng)力分別為124.5MPa、123MPa和112.8MPa，最大應(yīng)力均位于后橋處，整體應(yīng)力變化基本一致。在滿載制動工況下，三種截面橫梁車架的最大位移分別為1.42mm、1.38mm、0.99mm，其中槽形橫梁、矩形橫梁車架的最大位移位于車尾，而圓形截面橫梁車架的最大位移位于車架靠近第4根橫梁處，明顯降低了車架在滿載制動下的位移。

3.4 滿載轉(zhuǎn)彎工況

圖5為三種截面形狀橫梁車架在滿載轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖。

從圖5可知：槽形橫梁、矩形橫梁和圓管形橫梁的最大應(yīng)力分別為159.2MPa、156.6MPa和179.0 MPa，前后橋處均有應(yīng)力集中，整體應(yīng)力變化基本一致。在滿載轉(zhuǎn)彎工況下，三種截面橫梁車架的最大位移分別為2.73mm、2.66mm和3.137mm，三種截面橫梁車架的最大位移發(fā)生在后橋處，且均為與貨箱連接處。可見在滿載轉(zhuǎn)彎下，槽形和矩形截面橫梁車架的應(yīng)力和位移均較小，而圓形截面橫梁車架的應(yīng)力和位移變得惡劣。

圖5 滿載轉(zhuǎn)彎工況下車架應(yīng)力云圖

3.5 分析結(jié)果比較

綜合比較四種工況下三種截面橫梁的應(yīng)力和位移，槽形橫梁與矩形橫梁對車架應(yīng)力和位移變化的影響基本一致，但矩形截面可以明顯降低橫梁本身應(yīng)力。而圓管形橫梁在滿載扭曲和滿載制動工況下有顯著改善車架應(yīng)力和位移的作用，但在滿載彎曲和滿載轉(zhuǎn)彎下使車架應(yīng)力和位移變得惡劣。可見，槽形截面橫梁在不同工況下有著綜合良好的承載性能，矩形截面橫梁能夠明顯改善由橫梁本身引起的承載能力，圓形截面橫梁在不同工況下的承載性能并不一致，需要根據(jù)車架設(shè)計(jì)目標(biāo)權(quán)衡利用。

4 結(jié)語

本文建立了某輕型載貨車輛車架的幾何模型和有限元模型，分析了滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載制動和滿載轉(zhuǎn)彎的加載條件，對比分析了不同工況下車架的應(yīng)力和變形，研究了不同截面橫梁對車架承載性能的影響。

分析結(jié)果表明：槽形橫梁具有綜合良好的車架承載性能，矩形橫梁能夠增強(qiáng)自身承載能力，圓形橫梁在不同工況下對車架承載性能影響不一致。研究結(jié)果可為輕型貨車車架橫梁的設(shè)計(jì)提供理論參考。