邊梁式車架強度和剛度有限元仿真分析與校核

貴州電子科技職業學院 張紅瓊

本文以設計載重量為86噸的重型車架為目的，首先根據要求設計出了縱梁截面為12mm厚邊的邊梁式車架，并在設計過程中應用ANSYS Workbench軟件對其進行有限元仿真分析，得到該車架強度和剛度的應力和應變圖，并以計算出的結果為依據，適當的更改車架上的相關零部件，使車架的強度和剛度符合使用條件，最后進行強度和剛度校核，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、外的各種不同載荷，故承載式剛性車架的性能好壞關系整車性能的好壞。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，成為了一個承受復雜空間力系的框架結構，而且還受到來自于汽車懸掛系統、路面和發動機的激勵所產生的振動。因此，承載式剛性車架需具備合理的剛度、強度和振動特性，且在車架的設計初期，非常有必要對其強度和剛度進行計算和校核，以驗證車架結構的可靠性。

1 車架結構分析

該結構是在已初步設計完整的結構上改進而成的邊梁式車架，其縱梁斷面都是槽形，橫梁與內縱梁為加強板鉚接或螺栓連接。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，在不影響計算結果的情況下對有限元模型進行了適當的簡化。即車架上類似直徑較小的孔、圓角和倒角等小的幾何細節，由于對車架強度和剛度影響不大，故被忽略了。初始方案如圖1所示。

圖1 車架初始設計方案

將初始方案進行有限元分析后發現，前輪定位和車架后橋所在梁結構定位部件存在薄弱性，將車架的結構進一步改進，改進后的車架結構如圖2所示。在進行圖2所示車架結構的強度分析時發現，在兩輪懸空的極限情況下，其最大應力達到了326.87Mpa，發生在車架左邊尾部，及外縱梁與貨箱鉸接點所在橫梁的連接處，最大變形達到了14.319mm，發生在車架第三根橫梁與外縱梁的交界處。基于此情況，將車架的結構做適當更改，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的車架結構

2 有限元仿真模型建立

為了驗證所設計的車架結構是否合理，本文利用有限元分析法進行了強度和剛度的分析，最后還進行校核。

2.1 材料屬性定義

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

2.2 單元類型及網格劃分

首先將模型導入ANSYS workbench軟件中，根據車架的材料定義其屬性，再在Design Modeler模塊中完成相關的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，對車架結構網格劃分，得到的網格單元類型為Solid186的六面體，最后得到的1167474個節點，233471個單元，其有限元模型如圖4所示。

圖4 車載式剛性車架網格劃分后的有限元模型

3 強度和剛度分析

車輛在行駛過程中，典型的工況有彎曲、扭轉、急剎制動和轉彎四種，其中滿載彎曲和滿載扭轉這兩種工況對車架的結構有較大影響，所以此次的剛度和強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下，四輪著地時，汽車在良好路面約束直線行駛的姿態。在設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，并根據這些支架進行約束，并加上相應的載荷后得到車架在彎曲工況下的應力分布（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。根據車架節點位移分布圖，第二、三根橫梁之間與縱梁處出現最大位移節點，其值為2.12mm，這樣的變形量較小，對車架的性能影響不大，故在彎曲工況下強度和剛度都符合要求。

3.2 扭轉工況

扭轉工況時一般都會伴隨有彎曲工況，故此處主要計算彎扭聯合工況時的剛度和強度。滿載扭轉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行分析，即車輛的左后輪與右前輪兩輪對角懸空時的姿態。同樣根據實際情況對車架的相應部位進行約束，并加上相應的載荷后得到車架在彎扭作用下的應力分布（左）和位移分布（右）云圖，如圖6所示。

圖6 車架在扭轉工況下的應力分布（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，會發生嚴重的扭轉變形，這與實際情況基本一致。最大位移節點出現在第一根橫梁與縱梁的連接處，最大值為46.763mm，變形量較大，需要進行校核。

4 車架強度校核

車架材料的屈服極限為σs，計算出車架的最大復合應力為σmax，則設計出的車架結構的強度安全系數為：

根據上面有限元仿真結果及強度安全系數計算公式，得到的車架評價指標見表1所示。

表1 彎曲和扭轉工況下車架的強度評價參數

當安全系數n ＞1時，車架在彎曲工況下，結構強度符合要求。但是對于扭轉工況，由于該工況發生的概率偏小，基本上不會發生，故設計校核也偏保守，雖然安全系數不足1，在安全系數為所計算結果的情況下也能滿足工況要求。

結論：文章為了驗證設計中的車架結構可靠，利用ANSYS軟件對車架進行了有限元分析，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，得出彎曲和扭轉工況極限載荷下的應力分布和變形分布圖。如果得出的結果不滿足要求了，重修修改設計圖，再次驗證，直到最后進行強度和剛度校核時安全性滿足要求為止，完成車架設計工作。