某混凝土攪拌運輸車車架橫梁的優化改進

耿磊，唐公明，王敏，樊博成

徐工汽車事業部技術中心，江蘇徐州 221000

0 引言

車架作為整車的載體，是發動機、駕駛室、變速箱以及底盤懸架的關鍵支撐部件，在實際工作中不僅承受車輛各總成和運載貨物的載荷，還要承受來自復雜路況下的沖擊載荷[1]。所以車架性能的優劣直接影響整車的可靠性能。

隨著CAE技術的發展以及有限元分析技術的廣泛應用，車架結構分析精度得到極大提升。李成林[2]以某半掛車車架為研究對象，通過有限元分析方法，完成了半掛車車架結構優化改進工作；王超[3]運用有限元分析軟件對載貨車車架進行了優化改進，改進后車架可靠性得到較大提升；李鐵鐵等[4]通過有限元靜力分析法，完成了商用車車架對比優化分析，實現車架輕量化目標的同時，保證了車架可靠性；胡銳[5]基于有限元分析方法，對8×4重型載貨車車架進行輕量化仿真，在滿足車架強度設計的前提下，減重達到10%，大幅度降低了車架的質量。

本文的研究源于某混凝土攪拌運輸車試驗場路試第三橫梁開裂問題，如圖1所示。

圖1 第三橫梁開裂位置

為解決第三橫梁斷裂問題，通過試驗場采集車架風險點應變載荷，確定造成橫梁開裂的路況，繼而明確車架靜力仿真分析邊界，基于該邊界，運用有限元分析方法，對車架結構進行改進優化，改進后的橫梁強度得到顯著提升，達到設計預期。

1 車架應變采集及分析

1.1 直角應變計應力計算原理

直角應變計示意[6]如圖2所示。

圖2 直角應變計示意

最大主應力σ1和最小主應力σ2計算公式為：

(1)

(2)

式中：ε0、ε45°、ε90°為測得的應變；E為彈性模量；μ為泊松比。

對于塑性材料，根據第四強度理論，其等效應力為：

(3)

1.2 車架應變采集

本試驗針對車架風險點進行應變采集，應變計選用三向直角應變計及單向應變計，其中第三橫梁測點6、7選用三向直角應變計(應變計0°方向沿裂紋垂向)，第四橫梁測點8、9選用單向應變計，貼片方向與三橫梁應變計0°方向一致，縱梁測點1至5選用單向應變計，貼片方向沿整車坐標系X向。測點位置信息如圖3所示。

圖3 測點位置信息

其中第三橫梁測點6、7貼片位置如圖4和圖5所示。

圖4 測點6貼片位置

圖5 測點7貼片位置

1.3 車架應變采集數據分析

1.3.1 車架縱梁應力分析

對縱梁風險點的應變數據進行載荷分析處理，縱梁測點應變譜如圖6所示。由單向應力計算公式σ=E·ε，則縱梁測點應力分布見表1。

圖6 縱梁測點應變譜

表1 縱梁測點應力分布 單位:MPa

由表1可知，縱梁測點最大應力遠小于縱材料屈服極限500 MPa，各測點安全系數均高于2.0，縱梁開裂風險較低。

1.3.2 車架橫梁應力分析

對橫梁風險點的應變數據進行載荷分析處理，如圖7所示。橫梁測點最大應變均出現在乙扭路，且乙扭路橫梁應變遠大于其他路面，圖8為丙扭及乙扭路面的應變示意。

圖7 橫梁測點應變數據

圖8 丙扭及乙扭路面的應變示意

基于偽損傷計算法，對橫梁風險點應變數據進行偽損傷計算，得到偽損傷分布見表2。發現各測點乙扭路偽損傷明顯高于其他路面，表明乙扭路對車架三四橫梁造成的損傷起主導作用。

表2 橫梁測點偽損傷分布

根據最大及最小主應力計算公式，利用第四強度理論計算三向應變計測點等效應力。

測點6和7的等效應力時域曲線如圖9和圖10所示。測點6及測點7的等效應力最大值均出現在乙扭路，接近第三橫梁材料屈服500 MPa，其安全系數低于1.2，而其他路段安全系數均高于2.0，根據結構疲勞理論，安全系數高于2.0，結構斷裂的風險較低，結合乙扭路相對較高的偽損傷，推斷乙扭路是造成第三橫梁開裂的風險路面。

圖9 測點6的等效應力時域曲線

圖10 測點7的等效應力時域曲線

2 仿真分析邊界的確定

由第1節可知，乙扭路是致使第三橫梁開裂的風險路面，為獲取在乙扭路行駛時，車架第三橫梁測點達到最大應變時車輪Z向位移，以此作為整車結構仿真的邊界。經多次駐車靜態采集，發現單側雙前輪及對角雙后輪同時在梯形塊上，此時橫梁測點應變最大，同時雙前輪及對角后雙輪均抬高200 mm，如圖11所示。

圖11 乙扭路下測點應變峰值時車身姿態

3 車架結構強度優化分析

3.1 車架強度分析

本文采用有限元軟件建立該車架模型，車架主體采用四邊形殼單元網格劃分，網格尺寸為10 mm，大質量件以Mass+RB2單元模擬，車架主體材料為610 L，其有限元模型如圖12所示。

圖12 車架有限元模型

由第2節獲得的車架靜力仿真邊界。經計算，第三橫梁測點等效應力云圖如圖13所示，其最大等效應力試驗仿真對比分析見表3。

圖13 第三橫梁測點等效應力云圖

表3 第三橫梁測點試驗仿真對比分析 單位:MPa

由表3可知，第三橫梁測點最大等效應力試驗值與仿真值吻合度達到97%，測點7最大等效應力試驗值與仿真值吻合度達到99%，吻合度較高，證明該車架仿真模型有較高的精度。

3.2 結構優化

為降低第三橫梁應力，提升車架可靠性，對車架進行結構改進設計。第三橫梁上連接板由單側4孔位改為6孔位，三橫梁下翼面加強板由一層改為兩層，第四橫梁上連接板由單側8孔位改為12孔位，四橫梁下翼面加強板由一層改為兩層，并減小第四橫梁上下翼面切口，優化前后結構如圖14和圖15所示。

圖14 優化前結構

圖15 優化后結構

優化后第三橫梁等效應力云圖如圖16所示，改進前后仿真結果對比見表4。

圖16 優化后第三橫梁等效應力云圖

表4 第三橫梁改進前后仿真結果對比

分析結果表明：較原方案，改進后第三橫梁應力大幅降低，安全系數由原不足1.2，提升至1.4。經新一輪試驗驗證，車架橫梁未發生斷裂，證明改進方案可靠。

4 結論

本文針對某混凝土攪拌運輸車試驗場第三橫梁開裂問題，通過試驗驗證、仿真優化，最終得出如下結論：

(1)證實乙扭路是造成該橫梁開裂的風險路面，明確了仿真分析邊界。

(2)對車架結構進行優化改進，提升了車架可靠性，經驗證，第三橫梁未再開裂。

本文針對混凝土攪拌運輸車橫梁優化改進分析的方法和流程對其他類型工程車車架可靠性研究具有一定指導意義，為工程車車架試驗場結構問題改進工作提供了一種思路。