一種190型非公路自卸汽車車架強度有限元分析

■重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （重慶 402160） 陳佰江

■中鐵十一局集團有限公司 （湖北武漢 430000） 張光明

一種190型非公路自卸汽車是針對我國的實際情況，專門開發(fā)的適合于礦山、水利工地等使用的車型。礦山、水利工地的工作環(huán)境惡劣，車輛的可靠性尤其重要。車架等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須充分考慮典型危險工況，在充分利用材料的同時保證足夠的強度。

圖1 車架外形總體尺寸

圖2 車架三維模型

1. 車架外形尺寸及建模

一種1 9 0 型非公路自卸汽車車架總體尺寸為10 360m m×3 860mm×2 780mm，如圖1所示。

使用SolidWorks軟件完成車架的三維建模，建模結(jié)果及各部分組成如圖2所示。自卸車車架主體形式為鋼板結(jié)構(gòu)件，因此在有限元分析時，建立一個中型面，采用shell93號單元，以給定厚度的薄殼單元來表示車架結(jié)構(gòu)；在懸掛連接點、舉升油缸支座使用實體單元，采用solid186號單元。對模型適當位置進行簡化處理：略去不重要小孔和接口部分圓角，保留部分應(yīng)力集中處圓角，補齊部分梁接口處鋼板，減少零件數(shù)量，以確保準確反映危險部位的分析結(jié)果。

表1 材料參數(shù)

表2 主要部件載荷參數(shù)

圖3 正常勻速行駛工況下車架的約束與載荷條件

圖4 正常勻速行駛工況下車架的應(yīng)力分布

圖5 舉升作業(yè)工況下車架的應(yīng)力分布

2. 各工況有限元分析

車架主體結(jié)構(gòu)主要由厚度為16mm和25mm的鋼板焊接而成，龍門、保險杠和各縱梁組件主要使用HG70E高強板材料，抗扭管組件使用Q345B鋼板材料，各推拉桿、油缸支座使用ZG35CrMo鑄鋼材料，材料參數(shù)見表1。研究方案選定4種工況下的車架作為分析目標，依據(jù)行駛中前后懸掛以及后橋三角架的安裝要求建立相應(yīng)的約束條件，并根據(jù)不同種工況的初始條件對約束邊界條件進行調(diào)整，以保證分析結(jié)果的準確性和可靠性，主要部件載荷參數(shù)見表2。

（1）正常勻速行駛工況 此時車架約束為前后懸四點支撐，橫拉桿支座約束橫向位移，推力架約束縱向位移。通過各總成的質(zhì)心坐標對車架對應(yīng)承載面添加載荷，如圖3所示。

經(jīng)過分析得知，在正常勻速行駛工況下車架應(yīng)力主要集中在兩根縱梁后半部分的上下表面和前后懸掛缸支座處，其中縱梁上表面受壓，下表面受拉，最大應(yīng)力為103MPa（見圖4）。考慮2倍動載荷系數(shù)，車架仍然滿足設(shè)計要求。

（2）舉升作業(yè)工況 此時車架的約束與自卸車正常勻速行駛工況一樣，但加載條件有所變化，需將貨箱對車架施加力的位置由縱梁轉(zhuǎn)移到舉升缸軸上。

如圖5所示，計算后可以得知，此種工況下，最大應(yīng)力214MPa發(fā)生在舉升缸軸的軸肩處。由于本方案中軸類零件使用Q345B材料，安全系數(shù)達到1.63，強度滿足要求。

（3）地面不平舉升作業(yè)工況 此工況下車架處在卸貨作業(yè)階段，假設(shè)僅有兩個后輪和單側(cè)的一個前輪著地，此時車架需要去掉一個右前輪約束。

結(jié)果表明，在這種三點支撐的情況下，從圖6可以看出，相應(yīng)部位應(yīng)力有所增加，龍門有支撐一側(cè)前懸掛缸支座應(yīng)力增大，設(shè)計中需在龍門內(nèi)部加入多處肋板加強。不過此工況下，最大應(yīng)力分別為220MPa和180MPa，考慮2倍動載荷系數(shù)，仍然滿足設(shè)計要求。

（4）行駛時突遇坑洞障礙工況 此工況下假設(shè)車輛瞬時狀態(tài)下僅有對角兩套懸掛系統(tǒng)支撐，而加載條件與“正常勻速行駛工況”一致，約束條件去掉對角懸掛支撐（左后輪約束和右前輪約束）。

從圖7分析可以看出，此狀態(tài)為對角支撐，車架會受到額外的扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)力大幅增加。與此同時，車架龍門部分有支撐一側(cè)前懸掛缸支座部分和尾部抗扭管組件無支撐一側(cè)尾座部分應(yīng)力較大，設(shè)計中這些部分采用鑄造結(jié)構(gòu)，并加入了多處肋板加強。此工況下，最大應(yīng)力為216MPa，即使考慮2倍動載荷系數(shù)，還是在車架鋼材的屈服極限內(nèi)。

圖6 地面不平舉升作業(yè)工況下車架的應(yīng)力分布

圖7 行駛時突遇坑洞障礙工況下車架的應(yīng)力分布

3. 結(jié)語

本文利用SolidWorks軟件對車架進行三維建模，并使用ANSYS軟件對4種典型工況下的車架結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析。分析結(jié)果表明：在地面不平工況下進行舉升作業(yè)時，龍門有支撐一側(cè)前懸掛缸支座應(yīng)力達到了應(yīng)力最大值220MPa，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造中應(yīng)予以重視。但所有分析的工況中，在考慮2倍動載荷系數(shù)的前提下，車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及所選材料完全滿足大型重載礦用卡車的設(shè)計和使用要求，為非公路自卸汽車車架的設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的參考。