邊梁式車架強(qiáng)度和剛度有限元仿真分析與校核

貴州電子科技職業(yè)學(xué)院 張紅瓊

本文以設(shè)計載重量為86噸的重型車架為目的，首先根據(jù)要求設(shè)計出了縱梁截面為12mm厚邊的邊梁式車架，并在設(shè)計過程中應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對其進(jìn)行有限元仿真分析，得到該車架強(qiáng)度和剛度的應(yīng)力和應(yīng)變圖，并以計算出的結(jié)果為依據(jù)，適當(dāng)?shù)母能嚰苌系南嚓P(guān)零部件，使車架的強(qiáng)度和剛度符合使用條件，最后進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，驗證了該車架的可靠性。

作為車輛的主要承載部件，承載式剛性車架的主要作用是承受連接車輛的各個零部件的力并承受車輛內(nèi)、外的各種不同載荷，故承載式剛性車架的性能好壞關(guān)系整車性能的好壞。承載式剛性車架在運行時因為受到來自路面及車箱裝載的各種載荷作用，成為了一個承受復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，而且還受到來自于汽車懸掛系統(tǒng)、路面和發(fā)動機(jī)的激勵所產(chǎn)生的振動。因此，承載式剛性車架需具備合理的剛度、強(qiáng)度和振動特性，且在車架的設(shè)計初期，非常有必要對其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計算和校核，以驗證車架結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 車架結(jié)構(gòu)分析

該結(jié)構(gòu)是在已初步設(shè)計完整的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)而成的邊梁式車架，其縱梁斷面都是槽形，橫梁與內(nèi)縱梁為加強(qiáng)板鉚接或螺栓連接。用Solid works軟件建立該車架的三維實體模型，建立模型時，為便于分析，在不影響計算結(jié)果的情況下對有限元模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕＜窜嚰苌项愃浦睆捷^小的孔、圓角和倒角等小的幾何細(xì)節(jié)，由于對車架強(qiáng)度和剛度影響不大，故被忽略了。初始方案如圖1所示。

圖1 車架初始設(shè)計方案

將初始方案進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，前輪定位和車架后橋所在梁結(jié)構(gòu)定位部件存在薄弱性，將車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。在進(jìn)行圖2所示車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析時發(fā)現(xiàn)，在兩輪懸空的極限情況下，其最大應(yīng)力達(dá)到了326.87Mpa，發(fā)生在車架左邊尾部，及外縱梁與貨箱鉸接點所在橫梁的連接處，最大變形達(dá)到了14.319mm，發(fā)生在車架第三根橫梁與外縱梁的交界處。基于此情況，將車架的結(jié)構(gòu)做適當(dāng)更改，縱梁的厚度嘗試著由原來的14mm改為12mm，形成了最后的方案，如圖3所示。

圖2 初步形成車架方案

圖3 縱梁厚度為12mm的車架結(jié)構(gòu)

2 有限元仿真模型建立

為了驗證所設(shè)計的車架結(jié)構(gòu)是否合理，本文利用有限元分析法進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的分析，最后還進(jìn)行校核。

2.1 材料屬性定義

在設(shè)計時，車架由45Mn材料制成，質(zhì)量密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度極限σs為350MPa。

2.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

首先將模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中，根據(jù)車架的材料定義其屬性，再在Design Modeler模塊中完成相關(guān)的Imprint Faces操作，其中將Imprint Faces加在車架兩縱梁與貨箱的接觸面上。其次，對車架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格單元類型為Solid186的六面體，最后得到的1167474個節(jié)點，233471個單元，其有限元模型如圖4所示。

圖4 車載式剛性車架網(wǎng)格劃分后的有限元模型

3 強(qiáng)度和剛度分析

車輛在行駛過程中，典型的工況有彎曲、扭轉(zhuǎn)、急剎制動和轉(zhuǎn)彎四種，其中滿載彎曲和滿載扭轉(zhuǎn)這兩種工況對車架的結(jié)構(gòu)有較大影響，所以此次的剛度和強(qiáng)度計算主要以這兩種工況為主。

3.1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況是指在滿載狀態(tài)下，四輪著地時，汽車在良好路面約束直線行駛的姿態(tài)。在設(shè)計時整個車架上共安裝了4個用于連接板簧的支架，2個用于連接后橋平衡軸的支架，并根據(jù)這些支架進(jìn)行約束，并加上相應(yīng)的載荷后得到車架在彎曲工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖如圖5所示。

圖5 車架在彎曲工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖

從圖5中可以看出，車架最大應(yīng)力為151.34MPa，位于第三根橫梁與縱梁的連接處，與實際情況基本一致。根據(jù)車架節(jié)點位移分布圖，第二、三根橫梁之間與縱梁處出現(xiàn)最大位移節(jié)點，其值為2.12mm，這樣的變形量較小，對車架的性能影響不大，故在彎曲工況下強(qiáng)度和剛度都符合要求。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況時一般都會伴隨有彎曲工況，故此處主要計算彎扭聯(lián)合工況時的剛度和強(qiáng)度。滿載扭轉(zhuǎn)工況是指汽車在崎嶇不平的道路行駛的情況，此處取最惡劣的工況進(jìn)行分析，即車輛的左后輪與右前輪兩輪對角懸空時的姿態(tài)。同樣根據(jù)實際情況對車架的相應(yīng)部位進(jìn)行約束，并加上相應(yīng)的載荷后得到車架在彎扭作用下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖，如圖6所示。

圖6 車架在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布（左）和位移分布（右）云圖

從圖6中可知，車架在此工況下最大應(yīng)力為400.4MPa，位于車架第二根橫梁與縱梁的連接處，這是因為車架在右前輪和左后輪兩輪懸空情況時，車架受到的載荷也相對較大，會發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形，這與實際情況基本一致。最大位移節(jié)點出現(xiàn)在第一根橫梁與縱梁的連接處，最大值為46.763mm，變形量較大，需要進(jìn)行校核。

4 車架強(qiáng)度校核

車架材料的屈服極限為σs，計算出車架的最大復(fù)合應(yīng)力為σmax，則設(shè)計出的車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)為：

根據(jù)上面有限元仿真結(jié)果及強(qiáng)度安全系數(shù)計算公式，得到的車架評價指標(biāo)見表1所示。

表1 彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下車架的強(qiáng)度評價參數(shù)

當(dāng)安全系數(shù)n ＞1時，車架在彎曲工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。但是對于扭轉(zhuǎn)工況，由于該工況發(fā)生的概率偏小，基本上不會發(fā)生，故設(shè)計校核也偏保守，雖然安全系數(shù)不足1，在安全系數(shù)為所計算結(jié)果的情況下也能滿足工況要求。

結(jié)論：文章為了驗證設(shè)計中的車架結(jié)構(gòu)可靠，利用ANSYS軟件對車架進(jìn)行了有限元分析，在分析過程中，要考慮實際工況對車架的影響，并模擬實際工作時車架所受的約束和載荷，得出彎曲和扭轉(zhuǎn)工況極限載荷下的應(yīng)力分布和變形分布圖。如果得出的結(jié)果不滿足要求了，重修修改設(shè)計圖，再次驗證，直到最后進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核時安全性滿足要求為止，完成車架設(shè)計工作。