基于HyperMesh的某液壓減震車車架有限元分析

周 青，陳靖芯，李 紅，鄭再象

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

在汽車底盤中，車架承載著其他許多重要總成部件的質(zhì)量，是主要的承載部件，同時，在車輛行駛過程中，車架將承受來自車內(nèi)外的各種載荷的作用。因此，在車輛整體設(shè)計中，保證車架有足夠的強度和剛度至關(guān)重要。與以往的汽車設(shè)計中使用樣車作參考相比，使用有限元法對車架的力學(xué)性能進行分析，不僅可使設(shè)計周期縮短、研制費用降低，而且在設(shè)計的初期就能對車架的強度、剛度以及振型有充分的了解。本文利用有限元軟件HyperMesh對某液壓減震車車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

1 液壓減震車設(shè)計

1.1 液壓減震車的使用環(huán)境及功能

某型液壓減震車主要是在機場等路面條件較好的特殊路況下使用，其主要的用途是在狹窄低矮的空間中全方位移動、運輸一些大型重要的貨物，同時能夠平穩(wěn)地將貨物舉升到一定的高度，并能夠精確地調(diào)整物體的位置。其最主要的功能是能夠?qū)崿F(xiàn)六個方向自由度的運動，并且將以前依靠人力拖拉行走模式改成靠電池驅(qū)動的自動化控制模式，從而盡最大可能減少工作人員的數(shù)量。

1.2 液壓減震車底盤的設(shè)計

由于液壓減震車是在狹窄、低矮的作業(yè)環(huán)境中使用，故要求整車結(jié)構(gòu)緊湊并且最小離地間隙盡可能小，其底盤結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。因為液壓減震車是以電池帶動電機驅(qū)動，為了滿足電池組的擺放空間，在第三橫梁與第四橫梁、第四橫梁與第五橫梁間的空間擺放電池；在第二橫梁與第三橫梁之間擺放液壓雙剪式舉升平臺，用于裝載和舉升貨物。整車在設(shè)計中采用單縱臂式獨立懸架系統(tǒng)，由于本車無轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向依靠四個Mecanum輪［1］實現(xiàn)全方位任意角度移動和本地旋轉(zhuǎn)。

圖1 液壓減震車底盤結(jié)構(gòu)三維模型

目前，汽車車架基本上有四種結(jié)構(gòu)形式：邊梁式、周邊式、中梁式（或是稱為脊骨式）以及綜合式。在設(shè)計車架結(jié)構(gòu)時，首先應(yīng)滿足汽車的總布置要求，使固定在車架上的各部件和總成之間不產(chǎn)生干涉。本液壓減震車車架采用的是周邊式結(jié)構(gòu)，主要由前端兩根縱梁、中部兩根縱梁、后端兩根縱梁以及若干根橫梁構(gòu)成，使用鉚接、焊接或螺栓連接的方式將車架的縱梁和橫梁連接起來，組成堅固的剛性結(jié)構(gòu)。

2 車架有限元分析

2.1 車架有限元分析模型的建立

將在CATIA軟件中建立的車架結(jié)構(gòu)三維實體模型保存為IGS格式的文件并導(dǎo)入HyperMesh軟件中，在HyperMesh中進行有限元分析的前處理，建立車架的有限元分析模型。有限元前處理主要包括以下幾個方面：①忽略車架上的一些非承載部件和功能件，比如工藝孔、緩沖座、倒角、圓角等；②對于有些加強肋或帶凸緣的部件，利用等剛度的原則進行等效處理；③車架主要承受自身載荷和有效載荷，將復(fù)雜的載荷用等效載荷替代，從而簡化計算，又不影響準(zhǔn)確性。

2.2 網(wǎng)格劃分

液壓減震車車架的縱梁和橫梁是由薄壁件構(gòu)成，因此對車架實體模型抽取中面進行網(wǎng)格劃分，使用的單元類型為板殼單元，網(wǎng)格大小為10mm～30mm。對重要部位，比如孔、約束處、連接位置等網(wǎng)格劃分得細密點。網(wǎng)格劃分后車架有限元模型共有392 631個節(jié)點，148 546個PShell殼單元，160 054個PSolid實體單元，4個Spring彈簧單元，24個PBar桿單元，511個Rigid或Rigidlinks剛性單元及5個Mass質(zhì)量單元。車架有限元分析模型如圖2所示。

圖2 車架有限元分析模型

2.3 定義材料屬性

液壓減震車車架設(shè)計時所用的材料為16Mn鋼，其力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 830kg/m3，最小屈服強度為345MPa，抗拉強度為510MPa～600MPa。

2.4 工況的選取

根據(jù)車輛實際行駛狀態(tài)下的受力情況，對靜力分析一般僅考慮彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況［2］。各工況采用相同或者是不同的邊界條件，約束剛體位移，同時對載荷引起的不平衡力進行約束。針對這兩種工況，在滿載彎曲工況下選取的動載荷系數(shù)為2.5［3］，在扭轉(zhuǎn)工況下選取的動載荷系數(shù)為1.3。兩種工況的約束情況如圖3所示。圖3中，圓圈為施加約束位置，數(shù)字1表示x方向的約束，2表示y方向的約束，3表示z方向的約束。

圖3 滿載彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的約束情況

3 有限元計算結(jié)果與分析

3.1 滿載彎曲工況

通常車架的最大彎曲撓度f應(yīng)該小于10mm［4］。由于液壓減震車的特殊用途，在彎曲工況下，主要考慮貨物舉升前、貨物舉升瞬間和貨物舉升至最高位置時三個工作狀態(tài)下的位移與應(yīng)力情況。圖4為車架在上述三種工作狀態(tài)下的位移分布云圖。由圖4可以看出，車架的最大變形主要發(fā)生在第三橫梁處，三種狀態(tài)下的最大變形量分別是2.068mm、2.007mm 和2.217mm，遠小于10mm的參照值，說明車架的抗彎曲變形能力較強。

圖4 滿載時車架在三種工作狀態(tài)下的位移分布云圖

圖5、圖6和圖7分別為車架在上述三種情況下的應(yīng)力分布云圖。從這圖5～圖7中可以看出，三種工作狀態(tài)下的車架最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在第三橫梁與第二縱梁的連接位置，其最大值分別為279.1MPa、273.9MPa、264.9MPa，均小于車架所選材料的許用應(yīng)力（該車架選取的16Mn材料的屈服強度為345MPa），其余部位的應(yīng)力值大多在100MPa以下。通過這些分析可以看出，車架結(jié)構(gòu)可以滿足液壓減震車在滿載彎曲工況下的強度要求。

圖5 滿載舉升前車架應(yīng)力分布云圖

圖6 滿載舉升瞬間車架應(yīng)力分布云圖

圖7 滿載舉升至最高點時車架應(yīng)力分布云圖

3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

由于車輛在滿載扭轉(zhuǎn)工況條件下，一般都是在低速情況下在崎嶇不平的路面上行駛，因此此時車輛所受的慣性載荷也是較小的，因此本文選取的滿載扭轉(zhuǎn)工況下的動載荷系數(shù)為1.3［5］。根據(jù)液壓減震車的工作環(huán)境以及使用條件等因數(shù)，主要考慮車輛在滿載條件下，舉升前車架的滿載扭轉(zhuǎn)工況。

圖8、圖9分別為車架在滿載扭轉(zhuǎn)工況下的位移分布情況和應(yīng)力分布情況。從圖8可以看到車架最大位移為5.76mm。從圖9中可以看到此時車架的最大應(yīng)力為298.9MPa，發(fā)生的位置在第三橫梁與第二縱梁連接處，其余位置的應(yīng)力大多在80MPa以下。由于車架選用材料的屈服強度為345MPa，可以得到車架的安全系數(shù)為1.15，可以保證車輛在其設(shè)計要求的特殊路面上正常行駛。

圖8 滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架的位移分布圖

圖9 滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架的應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

本文利用有限元軟件HyperMesh對液壓減震車車架的滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況進行了靜力學(xué)有限元分析。從計算結(jié)果可以看出，該特種車車架的大部分應(yīng)力遠低于車架所選用材料的屈服強度，表明該車架結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計的要求。在車輛車架設(shè)計過程中，預(yù)先通過有限元軟件對車架進行分析計算，從而獲得車架的強度和剛度等特性，可以在很大程度上縮短研發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。

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