基于有限元模型的泵車底盤強(qiáng)度研究

劉上學(xué)

(江蘇鴻運(yùn)汽車科技有限公司，江蘇 南京 211815)

0 引言

車架是汽車各總成的安裝基體，它將發(fā)動(dòng)機(jī)和車身上的各個(gè)部件總成連成一個(gè)有機(jī)的整體，同時(shí)它還承受汽車各總成的質(zhì)量和有效載荷，并承受汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的各種力和力矩，以及各種靜載荷和動(dòng)載荷[1]。因此，車架應(yīng)當(dāng)擁有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)，以此來(lái)保證其在各種復(fù)雜受力的情況下不受破壞。傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)中，獲取車架等部件的結(jié)構(gòu)性能只能通過(guò)試驗(yàn)的方法，但是這個(gè)方法需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的周期，花費(fèi)大量人力物力和高額的資金投入。隨著科技的發(fā)展和實(shí)踐的積累，利用有限元方法進(jìn)行模擬構(gòu)建模型分析車載受力和安全系數(shù)的方法應(yīng)運(yùn)而生，不僅可以解決傳統(tǒng)模式的弊端，而且可以進(jìn)行更加全面精確的模擬計(jì)算，方便快捷，降低了研發(fā)成本[2-5]。為此，本次分析以汽車車架強(qiáng)度設(shè)計(jì)為研究背景，在三維軟件上建立泵車車架模型，應(yīng)用HyperWorks中的HyperMesh進(jìn)行有限元前處理，應(yīng)用Optistruct進(jìn)行靜態(tài)分析[6，7]，對(duì)4種工況下的泵車底盤進(jìn)行強(qiáng)度分析，獲得應(yīng)力最大點(diǎn)，為實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)泵車底盤進(jìn)行局部加強(qiáng)提供理論依據(jù)。

1 泵車底盤有限元模型的建立

1.1 建立三維模型

鑒于HyperWorks三維建模功能不是很強(qiáng)大[8，9]，因此，分析時(shí)首先在其他專業(yè)三維軟件如CATIA、UG、Pro/E中建立泵車底盤模型[10]，然后利用HyperWorks的接口程序?qū)搿D1為在Pro/E中建立的泵車底盤三維模型，車架總長(zhǎng)6 850 mm、寬860 mm。該車架是由兩根縱梁、六根橫梁、兩個(gè)內(nèi)加強(qiáng)板、四個(gè)連接板及吊耳、油箱托架等附件組成。普通碳鋼強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到車架要求，而鋁材質(zhì)制作成本又高，因此本次車架選用低合金Q345材質(zhì)，兩個(gè)縱梁采用6 mm低合金Q345板制成，六根橫梁采用6 mm低合金Q345板制成，兩個(gè)內(nèi)加強(qiáng)板為6 mm低合金Q345板，四個(gè)連接板及吊耳、油箱托架同樣為6 mmQ345板制成。

1-橫梁；2-縱梁；3-吊耳；4-連接板；5-油箱托架；6-內(nèi)加強(qiáng)板圖1 泵車底盤三維模型

1.2 有限元模型建立

由于車架是板殼結(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)格劃分時(shí)采用PSHELL單元。在HyperMesh中對(duì)導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行抽取中面、幾何清理等工作，然后將各部件裝配到一起，并進(jìn)行連接、約束、加載等工作。對(duì)于車架各部件之間的連接模擬，HyperWorks里提供了豐富的手段，如螺栓連接、焊接等等。最終形成有限元分析模型，如圖2所示。該車架模型共離散為180 650個(gè)節(jié)點(diǎn)、284 138個(gè)單元。

圖2 泵車底盤有限元模型

1.3 載荷的確定及邊界條件的處理

將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、離合器、蓄電池、油箱等以靜力等效的原則按其在底盤上的實(shí)際位置以集中載荷的形式施加于相應(yīng)的車架單元節(jié)點(diǎn)上。駕駛室(包括駕駛員的重量)按安裝形式分配到車架縱梁相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，上裝的重量按均布載荷形式分布到車架左、右縱梁上。整車集中載荷分布情況如表1所示。整車集中載荷分布在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、油箱、駕駛室總成和電瓶框總成的加載質(zhì)量分別為900 kg、300 kg、350 kg、800 kg和150 kg。

表1 整車集中載荷分布情況

目前國(guó)內(nèi)最主要的懸架依然為鋼板彈簧懸架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠，考慮到成本控制及制作因素，本設(shè)計(jì)采用鋼板彈簧懸架，懸架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼板彈簧懸架

車架通過(guò)懸架系統(tǒng)、車橋和車輪支承在地面上。為了更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際使用工況，本研究將懸架元件與車架組合起來(lái)分析。懸架的建模方法與結(jié)構(gòu)如圖4所示，將鋼板彈簧的支撐模擬等效為一個(gè)水平布置的矩型截面，可見(jiàn)梁的兩端點(diǎn)與對(duì)應(yīng)車架吊耳處結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，等效水平梁的寬度B為鋼板彈簧的實(shí)際寬度，其高度H可按下式選取:

圖4 鋼板彈簧模擬

(1)

其中：K為鋼板彈簧鉛垂方向上的裝車剛度；L為鋼板彈簧活動(dòng)吊耳與固定吊耳之間的水平距離；E為材料的彈性模量；B為鋼板彈簧的實(shí)際寬度。

根據(jù)泵車在實(shí)際使用過(guò)程中的基本運(yùn)行情況，本次分析共分4種工況，對(duì)應(yīng)的約束情況分為以下4種：

工況一：汽車在平整公路上行駛，相當(dāng)于靜態(tài)彎曲工況。約束鋼板彈簧主節(jié)點(diǎn)的全部自由度。

工況二：扭轉(zhuǎn)工況。模擬對(duì)角的兩輪胎懸空，另外兩輪胎與地面接觸。

工況三：整體舉升工況。在車架縱梁上布置10只吊鉤，約束吊鉤的全部自由度。

工況四：舉升作業(yè)時(shí)，車架平面出現(xiàn)傾斜，根據(jù)法規(guī)要求設(shè)定傾斜角為3°。約束位置與舉升工況相同。

2 計(jì)算結(jié)果

圖5～圖12為4種工況下底盤及車架縱梁應(yīng)力云圖。

圖12 傾斜作業(yè)(工況四)時(shí)車架縱梁應(yīng)力云圖

從圖5可以看出，彎曲工況下整個(gè)車架最大應(yīng)力為109 MPa，出現(xiàn)在第二橫梁與縱梁的連接位置。由圖6可以看出，彎曲工況下縱梁最大應(yīng)力為76 MPa，出現(xiàn)在平衡懸掛外加強(qiáng)板與縱梁側(cè)面接觸位置。整車車架的材質(zhì)為Q345材質(zhì)，材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，根據(jù)安全系數(shù)=屈服強(qiáng)度/實(shí)際最大應(yīng)力，得出車架整體安全系數(shù)為3.16，車架縱梁安全系數(shù)為4.54。

圖5 彎曲工況(工況一)下車架應(yīng)力云圖

圖6 彎曲工況(工況一)下車架縱梁應(yīng)力云圖

從圖7可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下車架整體最大應(yīng)力為160 MPa，仍然出現(xiàn)在第二橫梁與縱梁的連接位置。由圖8可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下縱梁最大應(yīng)力為76 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在平衡懸掛外加強(qiáng)板與縱梁側(cè)面接觸位置。經(jīng)計(jì)算車架整體安全系數(shù)為2.15，車架縱梁安全系數(shù)為4.54。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況(工況二)下車架整體等效應(yīng)力云圖

圖8 扭轉(zhuǎn)工況(工況二)下車架縱梁等效應(yīng)力云圖

由圖9～圖10可以看出，整體舉升工況下車架最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁變截面處的吊鉤位置，最大應(yīng)力為96 MPa，經(jīng)計(jì)算車架整體安全系數(shù)為3.59。

圖9 整體舉升工況(工況三)下車架應(yīng)力云圖

圖10 整體舉升工況(工況三)下車架縱梁應(yīng)力云圖

由圖11～圖12可以看出，傾斜作業(yè)時(shí)車架最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁最前端吊鉤位置，最大應(yīng)力為100 MPa，經(jīng)計(jì)算車架整體安全系數(shù)為3.45。

圖11 傾斜作業(yè)(工況四)時(shí)車架應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本次分析通過(guò)有限元建模，采用殼單元網(wǎng)格對(duì)泵車底盤進(jìn)行離散化、一維單元模擬鋼板彈簧，最后將得到的有限元分析模型導(dǎo)入到HyperWorks的Optistruct模塊，對(duì)4種工況下的泵車底盤進(jìn)行了強(qiáng)度求解。

仿真結(jié)果表明，第一種工況下底盤最大應(yīng)力為109 MPa，安全系數(shù)為3.16；第二種工況下底盤最大應(yīng)力為160 MPa，安全系數(shù)為2.15；第三種工況下底盤最大應(yīng)力為96 MPa，安全系數(shù)為3.59；第四種工況下最大應(yīng)力為100 MPa，安全系數(shù)為3.45。各種工況下底盤強(qiáng)度安全系數(shù)最小為2.15，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的2.0。同時(shí)得到了應(yīng)力最大點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以對(duì)該部位進(jìn)行局部加強(qiáng)，以使安全系數(shù)在條件允許的情況下達(dá)到最大化。