一種190型非公路自卸汽車車架強度有限元分析

■重慶水利電力職業技術學院 （重慶 402160） 陳佰江

■中鐵十一局集團有限公司 （湖北武漢 430000） 張光明

一種190型非公路自卸汽車是針對我國的實際情況，專門開發的適合于礦山、水利工地等使用的車型。礦山、水利工地的工作環境惡劣，車輛的可靠性尤其重要。車架等關鍵部件的結構設計中必須充分考慮典型危險工況，在充分利用材料的同時保證足夠的強度。

圖1 車架外形總體尺寸

圖2 車架三維模型

1. 車架外形尺寸及建模

一種1 9 0 型非公路自卸汽車車架總體尺寸為10 360m m×3 860mm×2 780mm，如圖1所示。

使用SolidWorks軟件完成車架的三維建模，建模結果及各部分組成如圖2所示。自卸車車架主體形式為鋼板結構件，因此在有限元分析時，建立一個中型面，采用shell93號單元，以給定厚度的薄殼單元來表示車架結構；在懸掛連接點、舉升油缸支座使用實體單元，采用solid186號單元。對模型適當位置進行簡化處理：略去不重要小孔和接口部分圓角，保留部分應力集中處圓角，補齊部分梁接口處鋼板，減少零件數量，以確保準確反映危險部位的分析結果。

表1 材料參數

表2 主要部件載荷參數

圖3 正常勻速行駛工況下車架的約束與載荷條件

圖4 正常勻速行駛工況下車架的應力分布

圖5 舉升作業工況下車架的應力分布

2. 各工況有限元分析

車架主體結構主要由厚度為16mm和25mm的鋼板焊接而成，龍門、保險杠和各縱梁組件主要使用HG70E高強板材料，抗扭管組件使用Q345B鋼板材料，各推拉桿、油缸支座使用ZG35CrMo鑄鋼材料，材料參數見表1。研究方案選定4種工況下的車架作為分析目標，依據行駛中前后懸掛以及后橋三角架的安裝要求建立相應的約束條件，并根據不同種工況的初始條件對約束邊界條件進行調整，以保證分析結果的準確性和可靠性，主要部件載荷參數見表2。

（1）正常勻速行駛工況 此時車架約束為前后懸四點支撐，橫拉桿支座約束橫向位移，推力架約束縱向位移。通過各總成的質心坐標對車架對應承載面添加載荷，如圖3所示。

經過分析得知，在正常勻速行駛工況下車架應力主要集中在兩根縱梁后半部分的上下表面和前后懸掛缸支座處，其中縱梁上表面受壓，下表面受拉，最大應力為103MPa（見圖4）?？紤]2倍動載荷系數，車架仍然滿足設計要求。

（2）舉升作業工況 此時車架的約束與自卸車正常勻速行駛工況一樣，但加載條件有所變化，需將貨箱對車架施加力的位置由縱梁轉移到舉升缸軸上。

如圖5所示，計算后可以得知，此種工況下，最大應力214MPa發生在舉升缸軸的軸肩處。由于本方案中軸類零件使用Q345B材料，安全系數達到1.63，強度滿足要求。

（3）地面不平舉升作業工況 此工況下車架處在卸貨作業階段，假設僅有兩個后輪和單側的一個前輪著地，此時車架需要去掉一個右前輪約束。

結果表明，在這種三點支撐的情況下，從圖6可以看出，相應部位應力有所增加，龍門有支撐一側前懸掛缸支座應力增大，設計中需在龍門內部加入多處肋板加強。不過此工況下，最大應力分別為220MPa和180MPa，考慮2倍動載荷系數，仍然滿足設計要求。

（4）行駛時突遇坑洞障礙工況 此工況下假設車輛瞬時狀態下僅有對角兩套懸掛系統支撐，而加載條件與“正常勻速行駛工況”一致，約束條件去掉對角懸掛支撐（左后輪約束和右前輪約束）。

從圖7分析可以看出，此狀態為對角支撐，車架會受到額外的扭轉變形，應力大幅增加。與此同時，車架龍門部分有支撐一側前懸掛缸支座部分和尾部抗扭管組件無支撐一側尾座部分應力較大，設計中這些部分采用鑄造結構，并加入了多處肋板加強。此工況下，最大應力為216MPa，即使考慮2倍動載荷系數，還是在車架鋼材的屈服極限內。

圖6 地面不平舉升作業工況下車架的應力分布

圖7 行駛時突遇坑洞障礙工況下車架的應力分布

3. 結語

本文利用SolidWorks軟件對車架進行三維建模，并使用ANSYS軟件對4種典型工況下的車架結構強度進行有限元分析。分析結果表明：在地面不平工況下進行舉升作業時，龍門有支撐一側前懸掛缸支座應力達到了應力最大值220MPa，在結構設計和加工制造中應予以重視。但所有分析的工況中，在考慮2倍動載荷系數的前提下，車架的結構設計及所選材料完全滿足大型重載礦用卡車的設計和使用要求，為非公路自卸汽車車架的設計與結構優化提供了一定的參考。