農(nóng)用車車架分析與優(yōu)化

彭才望

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

農(nóng)用車車架分析與優(yōu)化

彭才望

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

車架作為車身結(jié)構(gòu)的主要承載部件，不僅承擔(dān)車身的內(nèi)外大部分載荷，而且其性能對整車性能有較大影響。文章以某農(nóng)用載貨車車架為主要對象，基于有限元分析，仿真模擬車架在靜態(tài)載荷情況下的受力變形情況，結(jié)果表明：改進后的結(jié)構(gòu)在載荷相同作用下最大應(yīng)力和最大變形量都有所降低,其結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足強度和剛度要求，它對提高農(nóng)用載貨汽車的動、靜態(tài)性能,具有重要的意義。

農(nóng)用車；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

農(nóng)用載貨車車架作為承載基體，安裝著發(fā)動機、底盤的傳動系和轉(zhuǎn)向系、懸架、駕駛室、貨廂等有關(guān)部件和總成，承受著傳遞給它的各種力和力矩。對于農(nóng)用載貨汽車來說，增大車架的承載能力，實現(xiàn)整車車架性能的提高，是載貨車輛設(shè)計的首要任。文章以某農(nóng)用載貨汽車車架為研究對象，通過UG三維建模，基于ANSYS軟件，仿真分析農(nóng)用載貨汽車在滿載靜態(tài)時的剛度和強度分布，對比車架結(jié)構(gòu)中需要改進的部位，并依據(jù)分析結(jié)果提出改進方案。

1 車架三維實體模型的建立

該農(nóng)用載貨汽車車架，是由兩根沖壓成型的槽型縱梁和幾根橫梁通過鉚接而成的梯形結(jié)構(gòu)，前后等寬，寬度為750mm，總長5665mm。其中，橫梁的第一根、第二根、第四根、第五棟梁、第六根和第七根橫梁為沖壓槽形結(jié)構(gòu)，第三根橫梁為帽形結(jié)構(gòu)，材料相同。材料采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，設(shè)計原則是在滿足足夠強度和合理剛度的情況下,盡量簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。所建立的某農(nóng)用載貨汽車底盤車架二維平面尺寸示意圖和三維示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 車架二維平面尺寸示意圖

圖2 車架三維示意圖

2 車架有限元分析

（1）車架有限元分析模型。車架有限元模型建立的過程：UG模型的導(dǎo)入，車架各個部件網(wǎng)格的劃分，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的調(diào)整，最終整個車架有限元模型共創(chuàng)建155325節(jié)點，73346個單元格，以四邊形單元為主。如圖3所示。

圖3 車架有限元模型

（2）車架受力分析。農(nóng)用載貨汽車在靜止時，車架只承受懸掛以上部分的載荷，它主要由車身和車架的自身質(zhì)量、車架上各總成與附屬件質(zhì)量以及有效載荷（貨物質(zhì)量）等組成，其總和被稱之為靜載荷。為消除車架的剛體位移，約束車架前后板簧的六個自由度。模擬仿真分析時，施加載荷進行了一定程度的補償。根據(jù)靜力等效原則，將發(fā)動機、駕駛室、駕乖人員等

保部件的質(zhì)量對車架的作用向其在車架上的作用點簡化為車架上集中載荷；貨廂的質(zhì)量與裝載量之和對車架的作用按貨廂與車架的實際接觸面積計算簡化為車架上的均布載荷。各部件的質(zhì)量如表1所示。

表1 質(zhì)量分析表

（3）車架靜載分析。農(nóng)用載貨汽車在使用過程中，車架除了自身重量外，而且還要承受行使過程中各種路面工況所帶來的位移沖擊。比如，行駛經(jīng)過凹坑不平的路面等路況，這時車架要承受彎矩力矩和扭轉(zhuǎn)力矩的共同作用。因此,農(nóng)用車車架必須具有足夠的剛度和強度才能承受作用于其上的各種載荷沖擊，如果車架的剛度和強度不足，則造成車架變形過大、產(chǎn)生裂紋甚至斷裂失效，影響農(nóng)用車的正常使用。所以，文章通過ANSYS有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，通過分析車架零部件變形和應(yīng)力的分布情況，找出車架的危險部位。進而通過改變車架結(jié)構(gòu)的尺寸或者局部增加材料的方法，避免局部應(yīng)力集中，使車架各部位受力均衡，從而提高整車的性能。靜載仿真分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 應(yīng)力分析云圖

圖5 應(yīng)變分析云圖

圖6 總變形分析云圖

根據(jù)變形圖可看出，車架所受的應(yīng)力大小為60.5MPa，應(yīng)變變形量為0.3mm，受力和變形值較大，車架變形區(qū)域集中在駕駛室與發(fā)動機放置區(qū)的橫梁之間，此處安裝發(fā)動機及傳動系部件，因而兩根橫梁之間的間距較大，并且載荷較集中，導(dǎo)致車架變形較大。進而考慮將發(fā)動機往后移一點，使其它橫梁能夠承受相應(yīng)一部分壓力，通過分析，還是發(fā)現(xiàn)這幾根橫梁變形較大。因此，對該農(nóng)用載貨汽車車架進行優(yōu)化設(shè)計。

（4）車架優(yōu)化分析。通過對農(nóng)用車車架仿真，考慮橫梁中間有分布均勻的圓孔，從而導(dǎo)致車架不能承受更高強度的壓力。因此，改進設(shè)計時，將車架橫梁中間的圓孔去掉，同上有限元分析方法，實施合理載荷約束和邊界條，對車架基本載荷進行模擬仿真分析。改進后的車架三維示意圖如圖7所示。靜載仿真分析結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。車架結(jié)構(gòu)改進前后仿真分析結(jié)果對比如表2所示。

圖7 改進后的車架三維圖

圖8 應(yīng)力分析云圖

圖9 應(yīng)力分析云圖

圖10 總變形分析云圖

表2 改變前后對比結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示，承受載荷的大小和施加位置不變，改進車架結(jié)構(gòu)，車架所承受的壓力減少為40MPa,應(yīng)變變形量為0.2mm,因此本身所能承受的載荷明顯大大增強。表2為車架改進前后仿真分析結(jié)構(gòu)對比表明改變車架結(jié)構(gòu)，也可以讓車架能夠承受更多載荷重量，滿足農(nóng)用載荷需求。

3 結(jié)語

文章以某農(nóng)用載貨汽車為研究對象，通過UG軟件進行實體建模，利用ANSYS軟件對車架進行靜態(tài)仿真分析。通過選取合理的單元類型，根據(jù)車架在滿載靜止時的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，結(jié)果表明：局部結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力應(yīng)變較大現(xiàn)象；優(yōu)化設(shè)計車架局部結(jié)構(gòu)，如改變車架橫梁結(jié)構(gòu)等，結(jié)果表明：車架的整體應(yīng)力分布有了明顯的改善，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。文章后續(xù)部分可利用建立的車架有限元模型，進行動態(tài)和模態(tài)方面的分析，以完善農(nóng)用車車架結(jié)構(gòu)，滿足農(nóng)用車使用要求。析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2007，33（5）：562-567．

［2］祝小元，方宗德.汽車懸架控制臂的多目標(biāo)拓撲優(yōu)化［J］.汽車工程，2011，（2）.

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［4］劉素紅，李芳.一種客車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機電工程，2010，（4）：20-23.

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［1］馬廣，黃東明，王志明，等.農(nóng)用三輪車車架結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性仿真分

Analysis and Optim ization of Agricultural Vehicle Frame

PENG Cai-wang
（College of Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Vehicle frame is important to carry car parts，which notonly supportsall kinds of the loadswithin and outside the car，butalso hasa strong impacton vehicle performance.This paper takes the frame ofagricultural truck as research objects，based on finite elementanalysis software，simulates bearing and deforming of vehicle from under static condition.The results show that themaximum stressand displacementof the optimized frame under the same loading are decreased，its structure can bettermeet strength and stiffness，which hasagreatsignificance in improving itsvehicle dynamic and static performance.

agriculturalvehicle；finiteelementanalysis；optimization

U463.32

A

2095-980X（2016）11-0051-02

2016-10-12

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)基金14QN05。

彭才望（1988-），男，講師，主要研究方向：農(nóng)用車輛機械輕量化。