某牽引車車架輕量化有限元分析

王瑩瑩　肖宇　唐斯曉　王圣勇

摘 要：以該車輕量化設計車架為研究對象，根據某牽引車在不同工況下的受力情況添加相應的載荷并進行受力分析，最后對車架的應力情況進行校核。校核結果充分肯定了該輕量化方案，為后期道路試驗提供了參考，也為之后車輛的輕量化優化設計提供的了方向。

關鍵詞：ANSYS 車架 輕量化 有限元分析

1 前言

當前，經歷了新冠肺炎疫情后，我國國民經濟恢復良好，在治超趨嚴、老舊車淘汰、基建投資增速回升以及國VI升級等因素的影響下，我國牽引車市場發展穩定，伴隨著全球氣候變暖等形勢要求，環保問題和節能要求日益嚴苛。資料表明，車重減輕10%，燃油消耗可降低6%-8%[1]。而車架是牽引車最為重要和核心的部件之一、是牽引車重量的承載，駕駛室、發動機、變速箱、有限、尿素箱等眾多了關鍵零部件均安裝在車架上，而在行駛過程中車架還要承受轉彎工況、制動工況、極限扭轉工況等產生的應力，因此車架的設計關系到整個牽引車的性能[2-3]。在燃油消耗和性能的同時要求下，車架的輕量化和性能要求必須同時進行。

本文以某重型牽引車為研究對象，對該牽引車車架進行輕量化研究，在滿足整車對車架的性能要求的前提下，對該牽引車車架進行輕量化設計。

2 現狀說明

目前該牽引車車架重1610Kg，經過市場調研及售后反饋，客戶對于燃油消耗的需求較大，該車型車架仍有較大空間進行輕量化設計。通過使用CATIA對該牽引車車架進行實體建模，如圖1所示。

3 車架輕量化方案

該牽引車車架輕量化內容主要是更改結構件結構，更改結構件如下：鞍座連接板、懸置加強板、鞍座墊板、尾橫梁等結構。具體該車架輕量化成果如表1。

4 輕量化車架有限元分析

（1）輕量化車架有限元分析模型建立

運用CATIA建立三維實體模型，運用Hyper-mesh進行有限元單元劃分，最后運用ANSYS進行模型分析。其中，固定端支架-前懸架、板簧后支架、發動機懸置支架、鞍座鑄件、駕駛室后懸置支架、鑄件橫梁等零部件采用四面體單元，縱梁、橫梁、防撞梁、油箱支架、電瓶支架、空濾器支架、連接板、板簧等零部件采用殼單元，另外，前橋、后橋、推力桿及輪胎簡化成一維單元，鉚釘、螺栓連接采用rb2+beam單元模擬。駕駛室質量、動力總成質量、油箱質量、電瓶質量、傳動軸質量、鞍載質量、空濾器質量、方向機質量、消音器質量及簡化部件的配重以集中質量點表示，并依據其剛度通過rb3或rb2連接于車架，具體輕量化車架有限元模型見圖5。

（2）工況及載荷施加

建立垂向、轉彎、制動、扭轉一共5個工況，如表2所示，鞍座加載荷Z向-166000N，X向添加約束-850000N制動力。具體工況架構如表2所示，施加鞍載質量如表3所示，其中垂向沖擊時，牽引力40500N;扭轉工況1中未添加鞍載質量，鞍座上施加Z向-166000N（制動時掛車施加載荷），X向非約束施加-X向850000N的制動力。

（3）計算過程

在確認各部件的基本屬性和連接關系無誤后，通過對輪胎上輸出的支反力計算出前后軸荷。通過對比發現，該有限元模型輸出的軸荷與實際車輛車輛得出的軸荷基本相同，證明該牽引車有限元模型基本正確。最后通過Optistruct算法得出各工況結果。

5 計算結果分析

（1）計算結果

文中使用Optistruct進行求解，將應力值較大部位及重點關注零部件的仿真結果匯總如下表4所示。

（2）結論分析

如圖6所示，輕量化鞍座墊板應力集中處最大為312MPa，應力集中點位于螺栓連接附近，開裂風險較小。

如圖7所示，輕量化鞍座連接板應力集中處最大為85MPa，應力集中點仍然位于螺栓連接附近，開裂風險較小。

如圖8所示，輕量化縱梁車架受力均勻，縱梁應力集中處最大為245MPa，應力集中點僅有一個，且位于螺栓孔位處，從應力圖來看輕量化車架縱梁應力分布良好。

6 結論

采用Hypermesh和ANSYS聯合仿真分析的方式，對輕量化牽引車車架進行了強度校核。在CATIA中進行該牽引車車架的三維建模，在Hypermesh中進行網格劃分等前期處理工作，在建立垂向、轉彎、制動、扭轉一共5個工況下進行分析，得出的分析結果基本滿足該牽引車車架的應力強度要求，充分肯定了該牽引車車架的輕量化方案，為后期道路試驗提供了參考，也為之后車輛的輕量化優化設計提供的了方向。

參考文獻：

[1]陳元華，楊沿平.輕合金在汽車輕量化中 的應用[J].桂林航空高等工業專科學校學報，2008（1）：20-22.

[2]鄧祖平，王良模，彭曙兮，等.基于HyperWorks的某輕型卡車車架有限元分析及結構改進[J].機械設計與制造，2012（5）：84-86.DENG Z P，WANG L M，PENG S X，et al. Finite element analysisand structure improvement on a light-duty truck frame based on hy-perworks[ J]. Machinery Design & Manufacture ，2012（5）：84- 86.

[3]黃黎，段智方，龐建中.重型半掛牽引車車架結構的有限元分析[C]//第三屆中國CAE工程分析技術年會論文集，2007.