基于ANSYS的半掛車車架結構分析

解瑞雪

摘 要： 以某半掛車車架為研究對象，利用CATIA建立車架的三維實體模型，并導入ANSYS中進行有限元分析，選取不同工況條件進行強度剛度模擬分析，經校核該車架的結構符合要求。針對車架主縱梁部分進行優化設計，優化后車架的變形量及應力值均有下降。

關鍵詞： 車架；有限元；ANSYS；結構分析；優化

汽車車架作為汽車總成的一部分，是整個汽車的基體，承受著來自路面及裝載的各種復雜載荷的作用，汽車上許多重要總成部件都是以車架為安裝載體，其強度和剛度在汽車設計中有重要的作用。采用傳統理論分析方法，建立數學模型求解方程組，較難獲得方程組的解。伴隨計算機技術的發展，有限元分析法的優勢凸顯，得到了廣泛應用。本文利用ANSYS建立半掛汽車車架有限元模型，選取彎曲和緊急制動工況，施加不同載荷和約束條件，進行車架形變和應變分析。

1 半掛車車架三維模型建立

本文選用的半掛汽車車架是邊梁式車架，整個車架長為12050mm，前懸1160mm，軸距為8400mm。主要由兩根縱梁和若干橫梁組成該車架的縱梁結構采用平板式，橫截面斷面為工字形，橫梁斷面亦采用“工”字型斷面，提升載荷傳遞效率。其中兩縱梁連接采用橫梁與縱梁下翼板、腹板和上翼板焊接連接的方式。

在不影響計算結果精度的前提下，為了提升計算效率，將車架三維模型進行如下簡化：省略凸臺、銷孔、防護網等部件。利用CATIA軟件完成半掛車車架模型的建立，如圖1所示。

2 車架有限元模型的建立

有限元分析法是伴隨計算機的發展而快速發展并應用于結構分析的一種現代計算方法，現已成為汽車設計中的重要環節，能夠能明顯縮短產品設計周期。本文將CATIA繪制的車架三維模型導入ANSYS，經前處理后建立車架有限元分析模型[1]-[2]。

2.1 模型導入

將三維模型以IGES格式導入ANSYS中，由于軟件間存在兼容性問題，為了提升網格質量，對部分線、面進行進一步的修改。

2.2 材料屬性

車架材料選用16Mn低合金結構鋼，假設車架結構材料是均勻材料且各向同性。具體材料參數如下：彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3，屈服極限360MPa，抗拉強度550MPa。

2.3 網格劃分

網格類型選用Solid187，網格大小設定50mm，四面體網格，共生成單元總數為77546個，節點總數為158439個。網格劃分模型如圖2所示。

2.4 邊界約束

模擬的工況不同，為了獲得更精確的仿真結果，采用不同約束條件。半掛車前部通過牽引銷與牽引車連接，簡化為全自由度約束。對于勻速行駛工況，車架后部兩縱梁下方的支撐板處也采用全約束。緊急制動工況，車架前部為全約束，后部車輪位置施加垂直方向約束[3]-[5]。論文不考慮鋼板彈簧的作用。

2.5 載荷設置

半掛車車架所承受的載荷質量主要包括罐體質量以及載貨質量。半掛車額定載重30t，自重1.0t，靜態分析時，采用均布載荷進行處理。動載系數為1.3，重力加速度為9.8m/s2。

3 仿真與分析

選取2種不同行駛工況，分別施加對應約束和載荷，利用ANSYS對車架進行有限元分析，獲得位移和壓力云圖。

3.1 勻速行駛工況

假定車輛滿載下勻速行駛，車架主要承受彎曲載荷，產生彎曲變形，載荷主要為自身質量和承載物質量。經有限元分析得到車架的變形圖和應力云圖，如圖3、4所示

3.2 緊急制動工況

緊急制動時，車輛制動減速度為5m/s2，車架所受載荷為自重、載重和制動慣性力。經有限元分析得到車架的變形圖和應力云圖，如圖5、6所示。

3.3 結果分析

分析各工況車架的變形位移圖和應力云圖，得到各工況下最大變形量和最大應力值，如表1所示。

勻速行駛工況下，車架的最大變形量為1.6753mm，位于車架縱梁中前部，變形量小于車架縱梁所允許的最大變形位移（最大位移量=[0.002--0.003]*L）要求[6]，該車架滿足剛度要求。分析應力云圖知，最大應力位于牽引銷兩側縱梁區域，數值為58.97MPa，小于材料的應力極限，車架的強度滿足要求。緊急制動工況下，車架最大變形量為1.6816mm，最大應力值為58.10MPa，變形量及應力值均滿足車架的強度剛度要求。

4 優化設計

設計的車架強度和剛度均滿足使用要求，但該縱梁的最大應力多集中在主縱梁中間懸空位置。為了減小應力集中現象，增加車架的承載能力，采用增加主縱梁截面高度，在應力集中位置采用加強筋或加強板的方式，提高強度，增大承載能力，如圖7所示。

優化改進后的車架經有限元分析后，得到的應力應變云圖如圖8、9所示。優化后，車架所受的最大應力為48.5MPa，最大變形量為1.37mm。與優化前相比，最大應力值和最大變形量都有降低，明顯提高了主縱梁整體強度和剛度。

5 總結

本文選取半掛車車架為研究對象，設計建模并利用有限元法對車架強度、剛度展開研究，通過不同工況下車架最大變形量和最大應力值的計算得出，該車架的強度和剛度符合設計要求，并根據分析結果對車架縱梁進行優化設計，減小應力應變值，提升承載能力。■

參考文獻

[1] Klaus-Jürgen Bathe. 有限元法[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[2] 譚繼錦，張代勝. 汽車結構有限元分析[M]. 北京：清華大學出版社，2009.

[3] 朱永強，儀垂杰.低貨臺半掛車右主縱梁有限元分析[J].專用汽車，2002（1）：5-6.

[4] 孫啟會， 閔鵬. 有限元法在汽車車架分析中的應用[J]. 重型汽車，2001（5）：20-21.

[5] 徐建全. 平板式半掛車車架有限元分析[J]. 福建工程學院學報，2001（5）：20-21.

[6] 徐達，蔣崇賢. 專用汽車結構與設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，1998.endprint