基于HyperWorks的除雪車車架有限元分析及優化

毛敬競，鄧 耀，龔運息

(廣西科技大學，廣西 柳州 545000)

0 引 言

最近幾年冬天，各地降雪量增加，給機場道路和人民出行帶來了極大的困難,特別是對機場道路來說，往往一場降雪將會導致飛機延誤起飛，甚至更嚴重會使得機場關閉。因此為了解決此“白色污染”所帶來的自然問題，某汽車公司研發了某型號的除雪車。該除雪車前部帶有推鏟，中間帶有滾刷，后部帶有吹風機，當除雪車工作時前部推鏟把大部分積雪推向一邊，中部滾刷和尾部風機處理余下的積雪，從而起到清除道路積雪的作用。其中車架是除雪車重要的零部件，它是除雪車的“骨骼”，除雪車上大部分部件和總成都安裝在車架上，依靠車架來固定位置，并且除雪車受到的各種內外載荷都作用在車架上，因此除雪車車架性能的好壞影響著除雪車的安全性和舒適性。由于本次研究的對象除雪車車架是公司最新研發或改進的結構，因而可能存在部分結構剛強度不足或者剛強度過剩的情況，所以對除雪車車架進行有限元分析是改善車架結構性能很重要的一步[1-2]。

1 車架有限模型的建立

1.1 建立除雪車車架三維模型

根據公司提供的除雪車車架二維數據，用UG軟件繪制出三維模型，該除雪車車架由2條縱梁和2根橫梁組成，各部件板件厚度在10～20 mm之間，縱梁與橫梁之間由螺栓連接。繪制車架三維模型時應適當的簡化，如一些對結構受力分析影響不大的螺栓裝配孔和部分部件上的細小倒圓角，以及一些結構部件如尾端裝飾燈等都應忽略去掉。

1.2 建立車架有限元模型

把用UG繪制好的車架三維模型導入到CAE軟件HYPERMESH中，由于車架各部件是鈑金結構，從而對模型抽取中面劃分shell單元，網格單元尺寸選擇10 mm，螺栓孔用washer處理，劃分完網格單元后檢查網格質量。由于縱梁、橫梁和其它部件都是用螺栓連接的，因此選用剛性單元RB2單元來連接各部件，劃分好的網格單元數量有177 933個，節點有184 703個，如圖1所示。

圖1 整車單元網格模型

根據公司提供的除雪車車架材料屬性，如表1所列，賦予到網格單元中。

表1 除雪車車架材料屬性

2 除雪車有限元分析

一般對汽車車架進行靜力學分析都包括彎曲工況、扭轉工況、轉彎工況、緊急制動工況，其中彎曲工況和扭轉工況是對除雪車車架影響較大的工況，所以本次研究車架靜力分析僅選用彎曲工況和扭轉工況[3-4]。

2.1 彎曲工況分析

2.1.1 車架邊界條件的建立

(1) 除雪車正常工作行駛中速度是勻速的，在分析中按實際工況約束車架前后懸架支撐點的自由度，約束車架前輪的UX、UY、UZ自由度，約束后輪的UX、UY自由度[5]。

(2) 在載荷施加中，車架上主要承受駕駛室、發動機、推鏟、滾刷、油箱、發動機艙、中端總成部分重量以及車架自身的重量，其中推鏟推雪時傳遞給車架的作用力分解為FX=19 653 N、FY=5992 N、FZ=25480 N，具體各載荷部件質量如表2所列。

表2 車架載荷大小及分布

各部件載荷都以靜力等效原則施加在車架實際位置，由于在做彎曲工況除雪車是運動過程，還需給各工況乘以一個相應的動載系數，根據經驗值動載系數取1.5，除雪車車架按重力加速度9.8 m/s大小施加[6]。

2.1.2 彎曲工況分析結果

將已建好的車架有限元模型提交到OPTISTRUCT求解器中求解，計算結果如圖2、3所示。

圖2 車架應力云圖

圖3 車架位移云圖

根據應力云圖可知，車架最大的應力值大小為306.43 MPa，其位置處于左前輪懸架支撐處，主要原因是該位置周圍安裝一個發動機、駕駛室以及一個較大的推鏟總成，且由于推雪阻力使車架受到推鏟向左的載荷，從而在此處位置應力值最大。根據位移云圖可知車架最大的位移值為9.86 mm，位置位于右橫梁尾部的走臺支撐板尖上，主要原因是走臺支撐板太薄剛強度較弱且距離懸架支撐處較遠導致的[7]。

由于橫梁材料的屈服強度為700 MPa，最大的應力值306.43 MPa遠小于這個值，所以車架在彎曲工況下是滿足安全使用要求的。

2.2 扭轉工況分析

2.2.1 車架邊界條件的建立

對除雪車做扭轉工況分析時，釋放右后輪懸架支撐的自由度，其它位置自由度約束與彎曲工況相同。由于該除雪車是為機場跑道設計的，工作時不會發生扭轉工況，只有在運輸情況下才會發生車架扭轉的情況，因而在對車架做扭轉工況分析時，推鏟作用在車架的載荷只有一個向下重力，其它載荷施加方式和大小與彎曲工況一致。

2.2.2 扭轉工況分析結果

將已建好的車架有限元模型提交到OPTISTRUCT求解器中求解，計算結果如圖4、5所示。

由應力云圖分析可知，最大應力值為765.9 MPa，處于第二根橫梁左下角與縱梁表面接觸的位置，主要原因是縱梁所受載荷較大，缺乏右后輪支撐，右縱梁向下傾斜，使得橫梁左下角與左縱梁發生接觸碰撞產生應力集中，顯然最大應力值大于材料的屈服強度700 MPa，車架在此工況下容易發生破壞，從而需要對車架進行相應的優化來提高車架的使用安全性[8]。

圖4 車架應力云圖

圖5 車架位移云圖

3 車架的優化結果對比

3.1 優化后的車架模型

根據前面扭轉工況分析，發現車架在此工況下剛強度不足，因而對車架結構進行優化，在車架尾部增加一根圓形管輔助梁76 mm×10 mm，優化后的車架三維模型如圖6所示。

圖6 輔助梁安裝位置

3.2 車架優化結果

對優化后的車架重新建立有限元模型，進行扭轉工況計算，計算結果如圖7、8、表3所列。

圖7 優化后車架應力云圖

圖8 優化后車架位移云圖

工況類型優化前優化后變化量扭轉工況最大應力值(MPa)最大位移量(mm)765.9102.3546.372.5-219.6-29.8

根據應力云圖可得，優化后的車架最大應力值降為546.3 MPa，小于材料屈服強度700 MPa，安全系數n>1，除雪車車架在此工況下滿足安全使用要求。

4 結 語

對新研發的除雪車車架進行彎曲工況和扭轉工況分析，分析結果得出車架在扭轉工況下不能滿足使用的安全要求，從而在車架相應位置增加一根圓形管輔助梁，增加了車架的剛強度，對優化后的車架重新計算分析得出，優化后的車架在扭轉工況下滿足使用要求，這對除雪車車架研究人員有著重要的實際參考意義。