基于ANSYS的自卸車車架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

屈葵林

（中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力專用汽車有限公司，廣西 柳州 545112）

有限元法是一種在工程分析中經(jīng)常用來解決疑難復(fù)雜問題的近似數(shù)值分析方法，因其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面，具有較高的計(jì)算精度，在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍研究中，得到廣泛的應(yīng)用。本文選用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)自卸車車架進(jìn)行分析。

ANSYS有限元分析軟件將實(shí)體建模、系統(tǒng)組裝、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析等結(jié)合為一體，能夠高效、準(zhǔn)確地建立所分析的零部件的三維實(shí)體模型，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，根據(jù)輸入的約束和載荷工況，對(duì)有限元進(jìn)行自動(dòng)求解，并將結(jié)果用圖形顯示出來。其能夠滿足絕大部分工程設(shè)計(jì)分析的需要，在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的車身、車架的仿真計(jì)算和發(fā)電機(jī)曲軸及傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算中，得到了廣泛的應(yīng)用。

作為整車骨架的自卸車車架，是整個(gè)汽車的基體，汽車的絕大多數(shù)部件和總成，都通過車架來固定。車架的主要功能，是對(duì)汽車的各個(gè)零部件進(jìn)行支承和連接，并承載來自車內(nèi)、車外的各種載荷。

1 結(jié)構(gòu)幾何模型的建立

自卸車經(jīng)常在礦山、港口、耕地等路況較差的三級(jí)公路以下，或者是礦山自修土路等環(huán)境中工作，環(huán)境條件惡劣。自卸車在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)，在荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可能導(dǎo)致車架的扭曲變形，甚至是斷裂。因此，要對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化，以減少應(yīng)力集中對(duì)車架造成的損害。

本文分析的自卸車車型，采用的是邊梁式車架結(jié)構(gòu)。該邊梁式車架由2根位于兩邊的縱梁和若干橫梁組成。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)，考慮到自卸車車架大多是槽鋼，截面厚度與截面尺寸和構(gòu)件的長(zhǎng)度相比小很多，因此可以將車架構(gòu)件看做由模板組合而成，采用板殼單元建立有限元計(jì)算模型。

由于車架模型比較復(fù)雜，采用了主副車架分開建模、再將模型寫入ASCII合并的方式，得到了如圖1所示的模型圖。其中主車架縱梁簡(jiǎn)化成了單層結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際情況賦予了7 mm的厚度。

圖1 自卸車車架分析模型

2 有限元模型的生成

（1）單元屬性和實(shí)常數(shù)的賦予。在對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，板殼結(jié)構(gòu)多采用板殼元Shell單元來進(jìn)行離散，根據(jù)車架的受載情況，該車架整體采用Sheei163單元。實(shí)常數(shù)按照車架的尺寸，分別賦予主車架縱梁7 mm、副車架縱梁6 mm的厚度。

（2）網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格采用自由劃分的方式，默認(rèn)為四邊形單元，局部不規(guī)則的地方用三角形劃分。網(wǎng)格大小設(shè)為0.01，主、副車架總單元數(shù)為359 958。

（3）單元處理。縱梁和橫梁采用耦合的方式、副車架整體采用耦合的方式進(jìn)行處理，主、副車架連接則采用面面接觸的分析技術(shù)。處理過的車架如圖2所示。

圖2 車架單元處理結(jié)果

3 邊界條件的處理

對(duì)邊界條件的處理采用3種方式。

（1）各車輪均勻承受載荷工況。此工況是汽車在平直路面行駛時(shí)的常見狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變主要是汽車自身的振動(dòng)。這時(shí)的10個(gè)吊耳都均勻垂直在車架的Y 平動(dòng)，左邊第一吊耳對(duì)XYZ 平動(dòng)進(jìn)行約束，左邊第五吊耳對(duì)Y、Z，即左右平動(dòng)進(jìn)行約束，消除車架的剛體位移。如圖3所示。

圖3 各車輪均勻承受載荷工況下車架應(yīng)力云圖（單位：Pa）

由圖3可知，在各車輪均勻承受載荷工況下，車架整體呈低應(yīng)力狀態(tài)，且吊耳位置應(yīng)力集中。

（2）后輪懸空狀態(tài)工況。也就是汽車通過壕溝、臺(tái)階等路面時(shí)面臨的路況，此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變主要來自汽車前、后軸或者是各車輪瞬間的分配不均。在方式（1）的基礎(chǔ)上釋放車架右后方吊耳的約束。

圖4 后輪懸空狀態(tài)下車架應(yīng)力云圖

由圖4可看出，在后輪懸空狀態(tài)下，應(yīng)力集中在主車架中部右邊吊耳位置和主車架走吊耳位置；最大應(yīng)力則發(fā)生在主車架右邊中部吊耳的上方位置；主車架左邊后軸上方橫梁處的應(yīng)力較為集中，屬于危險(xiǎn)位置。

（3）中間車輪懸空狀態(tài)工況。也是通過臺(tái)階、壕溝等路面時(shí)的工況，應(yīng)力應(yīng)變主要來自汽車前后軸或者是各車輪瞬間載荷的分配不均。在方式（1）的基礎(chǔ)上釋放車架右邊中間的2個(gè)吊耳的約束，如圖5所示。

圖5 中間車輪懸空狀態(tài)下車架應(yīng)力云圖

由圖5可看出，在中間車輪懸空的狀態(tài)下，應(yīng)力主要集中在左縱梁；右縱梁吊耳位置應(yīng)力較大；主車架第6、8橫梁應(yīng)力較大；左橫梁中部下方位置屬于危險(xiǎn)處。

4 自卸車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上面的分析可知，主車架縱梁中部和吊耳位置應(yīng)力較為集中，第6、8橫梁處應(yīng)力比較大。

（1）因此，在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行處理，在主車架縱梁和吊耳位置應(yīng)力集中和應(yīng)力較大的位置，采用墊上鋼板的方式，增加受力面積，以減少應(yīng)力集中造成的損害。

（2）針對(duì)第6、8橫梁處應(yīng)力大的情況，可以采用在第5和第9之間增加交叉梁的方式，將應(yīng)力進(jìn)行擴(kuò)散，使各橫梁之間的受力盡量平衡。

（3）另外，還可以對(duì)副車架進(jìn)行一定的優(yōu)化處理，采用增加副車架橫梁數(shù)目等方式，增強(qiáng)副車架的應(yīng)力能力，進(jìn)而對(duì)整個(gè)車架的應(yīng)力能力進(jìn)行提升。

可見，在對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以在輕量化的基礎(chǔ)上，盡量對(duì)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行加固處理，或者是采取措施使應(yīng)力擴(kuò)散，以免車架斷裂、變形等故障發(fā)生，以保證車架的使用壽命。

對(duì)改進(jìn)后的車架進(jìn)行有限元分析證明，鋪墊鋼板和增加交叉梁的方式，可以有效減輕或擴(kuò)散應(yīng)力集中部位的集中應(yīng)力，使車車架的應(yīng)力保持相對(duì)的均衡，從而使車架的應(yīng)力能力得到了提高。

5 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以明確看出車架構(gòu)造中存在的問題，從而采取有效地措施進(jìn)行改造。因此，在實(shí)際的運(yùn)用中，應(yīng)用ANSYS有限元分析法，對(duì)車架進(jìn)行分析計(jì)算，可以使車架在降低設(shè)計(jì)成本、提高效率的基礎(chǔ)上，朝著輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化的方向發(fā)展。

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