載重貨車車架的靜力學分析＊

洪雨，彭閃閃，王玲芝，許星月，劉通，尹宗軍

（安徽信息工程學院機械工程學院，安徽 蕪湖 2411001）

前言

貨車整車大部分的重量都由車架承受，在行駛時車架還需承受來自車內(nèi)各部件的力和力矩的作用。例面對崎嶇不平的道路，由于車輪的沖擊，車架會受到?jīng)_擊載荷，而造成相應的扭轉(zhuǎn)變形，車內(nèi)各部件的相對位置也可能發(fā)生變化，這將不利于車體的穩(wěn)定性。因此，對于載重貨車來說，其車架應具有出色的抗彎、抗扭以及抗疲勞性能[1-3]。另一方面，傳統(tǒng)的車架設(shè)計因缺少相應的定量分析已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的市場需求。隨著近二十幾年來，有限元分析理論的日益成熟以及計算機輔助技術(shù)的快速發(fā)展，CAE 分析已經(jīng)深入滲透在車架開發(fā)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全過程。周元利用CAD 軟件研究了重型柵欄式運輸車車架在四種工況的強度性能、剛度性能以及前七階的模態(tài)分析，對應例集中區(qū)域進行了相應的優(yōu)化，提高車架結(jié)構(gòu)的合理性[4]。孫艷鵬利用ANSYS 軟件，對貨車車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和緊急轉(zhuǎn)彎四種工況下的靜態(tài)強度進行了分析，為研究車架穩(wěn)定性提供了許多指導意義[5]。為此，本文以某邊梁式貨車為研究對象，對負載彎曲、非水平扭動、橫向彎曲以及緊急制動四種工況下的車架進行了靜力學分析。

1 計算模型的建立

以載重貨車車架為研究對象，車架采用邊梁式設(shè)計，分別由2 根縱梁和6 根橫梁組成，縱梁上下表面平直。車架整體的總長度設(shè)定為8400mm，總寬860mm。縱梁和橫梁的高度都是300mm，寬度都為90mm。我們采用Solidworks 對該車架進行了三維虛擬建模。它的物理屬性如表1 所示。

表1 車架的基本物性參數(shù)

將該三維模型導入有限元分析ANSYS 中進行網(wǎng)格劃分，整個車架被劃分為109297 個單元，218357 個節(jié)點，413723個自由度，其中接觸單元1658 個。車架的實體建模和網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 (a) 實體模型；(b) 網(wǎng)格劃分圖

2 車架的靜力學分析

2.1 靜止負載彎曲

滿載彎曲條件是當車輛在滿載情況下在良好道路上以恒定速度行駛時車架對其承受的重量的響應。滿載狀態(tài)也是卡車的限制條件。在這種情況下，如果框架符合相應的標準，在正常工作條件下將不可避免地達到標準。駕駛室分布在車架前端22mm 上，其他總成加載重1000kg 均勻分布在車架后端，將固定位約束施加在車架與懸架連接的八個面上，如圖2 所示。

圖2 (a) 貨物加載位；(b) 發(fā)動機變速箱集中加力位

滿載的變形如圖3(a)所示。框架尾部的變形最大，為2.20mm，框架最大彎曲撓度正常小于10mm，因而車架在靜態(tài)滿載情況下滿足相應性能要求。由于這種型號的車太長，車架的懸掛時間太長。在模擬分析中，載荷按均勻分布運行，導致框架尾部變形。在實際使用中，尾端的載荷不會太大，所以實際中的變形量會更小。從內(nèi)部應力云圖3(b)中不難看出，組件的等效應力不超過屈服應力（320MPa），后輪后支撐的最大應力為144.85MPa，小于材料的屈服強度，因此框架在靜止時處于滿載狀態(tài)時滿足性能要求。

圖3 (a) 滿載位移云圖；(b) 滿載應力云圖

2.2 靜止30%超載

若在貨箱位置多施加30%負載，從圖4（a）中可以看出，在這種情況下，框架的最大變形是2.8632mm，位于貨車尾端。最大的彎曲撓度小于10mm，所以在靜態(tài)30%超載工況下的車架滿足相應性能要求。再來看圖4（b）的應力云圖，等效應力也是沒有超過屈服應力（320MPa）的部分，最大應力值188.3MPa，小于材料的屈服極限。因此，當車架30%超載時滿足性能要求。

圖4 (a) 30%超載位移云圖；(b) 30%超載應力云圖

2.3 非水平扭轉(zhuǎn)

圖5 (a) 車架扭曲變形位移圖；(b) 車架扭曲變形應力圖

當車輛一側(cè)的輪胎進入凹坑或遇到凸起的障礙物時，通常會出現(xiàn)框架最嚴重的變形。在這種扭轉(zhuǎn)條件下，汽車的應力和變形是最差的。通常，在粗糙和不平坦的道路上，速度較低，向右前輪施加10mm 的位移，并且根據(jù)固定的位移處理其他三個輪。框架的最大位移和應力云計算如圖5 所示。由計算結(jié)果可知，在扭曲變形工況下最大位移為10.192mm，發(fā)生在車架右前部；最大應力399.3MPa，所以發(fā)生在懸架與車架連接處架依然滿足性能要求。

2.4 橫向彎曲工況

車輛行駛途中突然急轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下，框架承受橫向載荷。以緊急右轉(zhuǎn)限制狀態(tài)例，轉(zhuǎn)彎半徑按10m 計算。前輪采用固定約束，在滿載條件下應用2.5m/s2的橫向加速度。相應的位移和應力云如下圖 6 所示。最大位移為17.891mm，發(fā)生在車架末端；最大應力為148.8MPa，發(fā)生在前懸架與元寶梁連接處，滿足車架性能要求。

圖6 (a) 橫向彎曲位移云圖；(b) 橫向彎曲應力云圖

2.5 緊急制動工況

車輛在緊急制動時，車架會受到各部分的載荷與縱向產(chǎn)生的慣性力的作用。滿載緊急制動時，考慮前后車輪完全抱死的情況，附著系數(shù)取φ=0.7，制動時的最大減速度為0.7m/s，車架位移云圖和應力云圖如圖7 所示。在這種情況下，框架的最大變形為2.2025mm，框架的最大彎曲撓度通常小于10mm，所以該車架在靜態(tài)滿載工況下滿足性能要求。等效應力沒有超過屈服應力（493MPa），最大應力114.8MPa，還是出現(xiàn)在左后輪后支撐處，依然小于材料的屈服極限，因此車架滿足性能要求。

圖7 (a) 緊急制動位移云圖；(b) 緊急制動應力云圖

3 結(jié)論

采用Solidworks 軟件繪制貨車車架的三維模型。同時，采用ANSYS workbench 有限元分析軟件分析了框架四種典型工況的靜態(tài)條件，包括承載、扭轉(zhuǎn)與彎曲情況，得到了各種工況下的變形和應力分布情況，結(jié)果顯示該車架在所有工況下都滿足安全性能要求。