基于有限元模型的泵車底盤強度研究

劉上學

(江蘇鴻運汽車科技有限公司，江蘇 南京 211815)

0 引言

車架是汽車各總成的安裝基體，它將發動機和車身上的各個部件總成連成一個有機的整體，同時它還承受汽車各總成的質量和有效載荷，并承受汽車行駛時產生的各種力和力矩，以及各種靜載荷和動載荷[1]。因此，車架應當擁有足夠的強度和安全系數，以此來保證其在各種復雜受力的情況下不受破壞。傳統汽車設計中，獲取車架等部件的結構性能只能通過試驗的方法，但是這個方法需要經過很長的周期，花費大量人力物力和高額的資金投入。隨著科技的發展和實踐的積累，利用有限元方法進行模擬構建模型分析車載受力和安全系數的方法應運而生，不僅可以解決傳統模式的弊端，而且可以進行更加全面精確的模擬計算，方便快捷，降低了研發成本[2-5]。為此，本次分析以汽車車架強度設計為研究背景，在三維軟件上建立泵車車架模型，應用HyperWorks中的HyperMesh進行有限元前處理，應用Optistruct進行靜態分析[6，7]，對4種工況下的泵車底盤進行強度分析，獲得應力最大點，為實際生產中對泵車底盤進行局部加強提供理論依據。

1 泵車底盤有限元模型的建立

1.1 建立三維模型

鑒于HyperWorks三維建模功能不是很強大[8，9]，因此，分析時首先在其他專業三維軟件如CATIA、UG、Pro/E中建立泵車底盤模型[10]，然后利用HyperWorks的接口程序導入。圖1為在Pro/E中建立的泵車底盤三維模型，車架總長6 850 mm、寬860 mm。該車架是由兩根縱梁、六根橫梁、兩個內加強板、四個連接板及吊耳、油箱托架等附件組成。普通碳鋼強度無法達到車架要求，而鋁材質制作成本又高，因此本次車架選用低合金Q345材質，兩個縱梁采用6 mm低合金Q345板制成，六根橫梁采用6 mm低合金Q345板制成，兩個內加強板為6 mm低合金Q345板，四個連接板及吊耳、油箱托架同樣為6 mmQ345板制成。

1-橫梁；2-縱梁；3-吊耳；4-連接板；5-油箱托架；6-內加強板圖1 泵車底盤三維模型

1.2 有限元模型建立

由于車架是板殼結構，因此網格劃分時采用PSHELL單元。在HyperMesh中對導入的幾何模型進行抽取中面、幾何清理等工作，然后將各部件裝配到一起，并進行連接、約束、加載等工作。對于車架各部件之間的連接模擬，HyperWorks里提供了豐富的手段，如螺栓連接、焊接等等。最終形成有限元分析模型，如圖2所示。該車架模型共離散為180 650個節點、284 138個單元。

圖2 泵車底盤有限元模型

1.3 載荷的確定及邊界條件的處理

將發動機、變速箱、離合器、蓄電池、油箱等以靜力等效的原則按其在底盤上的實際位置以集中載荷的形式施加于相應的車架單元節點上。駕駛室(包括駕駛員的重量)按安裝形式分配到車架縱梁相應的節點上，上裝的重量按均布載荷形式分布到車架左、右縱梁上。整車集中載荷分布情況如表1所示。整車集中載荷分布在發動機、變速箱、油箱、駕駛室總成和電瓶框總成的加載質量分別為900 kg、300 kg、350 kg、800 kg和150 kg。

表1 整車集中載荷分布情況

目前國內最主要的懸架依然為鋼板彈簧懸架，結構簡單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠，考慮到成本控制及制作因素，本設計采用鋼板彈簧懸架，懸架結構如圖3所示。

圖3 鋼板彈簧懸架

車架通過懸架系統、車橋和車輪支承在地面上。為了更加準確地模擬實際使用工況，本研究將懸架元件與車架組合起來分析。懸架的建模方法與結構如圖4所示，將鋼板彈簧的支撐模擬等效為一個水平布置的矩型截面，可見梁的兩端點與對應車架吊耳處結點之間的關系，等效水平梁的寬度B為鋼板彈簧的實際寬度，其高度H可按下式選取:

圖4 鋼板彈簧模擬

(1)

其中：K為鋼板彈簧鉛垂方向上的裝車剛度；L為鋼板彈簧活動吊耳與固定吊耳之間的水平距離；E為材料的彈性模量；B為鋼板彈簧的實際寬度。

根據泵車在實際使用過程中的基本運行情況，本次分析共分4種工況，對應的約束情況分為以下4種：

工況一：汽車在平整公路上行駛，相當于靜態彎曲工況。約束鋼板彈簧主節點的全部自由度。

工況二：扭轉工況。模擬對角的兩輪胎懸空，另外兩輪胎與地面接觸。

工況三：整體舉升工況。在車架縱梁上布置10只吊鉤，約束吊鉤的全部自由度。

工況四：舉升作業時，車架平面出現傾斜，根據法規要求設定傾斜角為3°。約束位置與舉升工況相同。

2 計算結果

圖5～圖12為4種工況下底盤及車架縱梁應力云圖。

圖12 傾斜作業(工況四)時車架縱梁應力云圖

從圖5可以看出，彎曲工況下整個車架最大應力為109 MPa，出現在第二橫梁與縱梁的連接位置。由圖6可以看出，彎曲工況下縱梁最大應力為76 MPa，出現在平衡懸掛外加強板與縱梁側面接觸位置。整車車架的材質為Q345材質，材料的屈服強度為345 MPa，根據安全系數=屈服強度/實際最大應力，得出車架整體安全系數為3.16，車架縱梁安全系數為4.54。

圖5 彎曲工況(工況一)下車架應力云圖

圖6 彎曲工況(工況一)下車架縱梁應力云圖

從圖7可以看出，扭轉工況下車架整體最大應力為160 MPa，仍然出現在第二橫梁與縱梁的連接位置。由圖8可以看出，扭轉工況下縱梁最大應力為76 MPa，最大應力出現在平衡懸掛外加強板與縱梁側面接觸位置。經計算車架整體安全系數為2.15，車架縱梁安全系數為4.54。

圖7 扭轉工況(工況二)下車架整體等效應力云圖

圖8 扭轉工況(工況二)下車架縱梁等效應力云圖

由圖9～圖10可以看出，整體舉升工況下車架最大應力出現在縱梁變截面處的吊鉤位置，最大應力為96 MPa，經計算車架整體安全系數為3.59。

圖9 整體舉升工況(工況三)下車架應力云圖

圖10 整體舉升工況(工況三)下車架縱梁應力云圖

由圖11～圖12可以看出，傾斜作業時車架最大應力出現在縱梁最前端吊鉤位置，最大應力為100 MPa，經計算車架整體安全系數為3.45。

圖11 傾斜作業(工況四)時車架應力云圖

3 結論

本次分析通過有限元建模，采用殼單元網格對泵車底盤進行離散化、一維單元模擬鋼板彈簧，最后將得到的有限元分析模型導入到HyperWorks的Optistruct模塊，對4種工況下的泵車底盤進行了強度求解。

仿真結果表明，第一種工況下底盤最大應力為109 MPa，安全系數為3.16；第二種工況下底盤最大應力為160 MPa，安全系數為2.15；第三種工況下底盤最大應力為96 MPa，安全系數為3.59；第四種工況下最大應力為100 MPa，安全系數為3.45。各種工況下底盤強度安全系數最小為2.15，達到了設計要求的2.0。同時得到了應力最大點，在實際生產中可以對該部位進行局部加強，以使安全系數在條件允許的情況下達到最大化。