HyperMesh重型載貨汽車車架靜態分析

王成

摘 要：汽車工業屬于技術密集型產業，如何設計出性能優越、安全可靠的產品，一直是各個企業不斷追求的目標。文章根據有限元理論，以某公司生產的工程車輛邊梁式車架為研究對象，分析其靜態特性，以期為后續的車架改進提供參考依據和思路。

關鍵詞：有限元法;重型載貨汽車;車架;靜態分析

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-086-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.029

在重載汽車中，車架尤為重要，良好的車架設計能夠以最小質量獲得良好的強度與剛度，促進車動力性能大幅提升，同時全面改善行車的安全性、可靠性，現已成為改善重型貨運車輛應用性能的一項熱點課題[1]。

1 重型載貨汽車車架簡介

文章研究的重型載貨汽車為某公司設計的水泥攪拌車，其車架在實際工況中承載著較大載荷，故選取了邊梁式車架，結構如圖1所示。

2 車架有限元模型建立

在HyperMesh軟件中，能夠比較簡單輕松地控制網格質量。通過交互式進行劃分，基于此，劃分的網格能夠利用調整參數的方式獲得符合要求的尺寸及分布位置。文章在綜合考慮車架尺寸等各方面因素的基礎上，將網格大小取值為10 mm，對于平面網格，自動劃分往往可以獲得良好的劃分結果。劃分后的車架有限元模型如圖1所示，此模型共包含234 437個節點、230 323個單元，車架材料選用WL510。

3 車架靜態分析

3.1 車架基本載荷的確定

分析車架受力情況過程中，第一步需要科學合理地明確車架基本載荷，其承載主要包括：發動機730 kg，駕駛室總成890 kg，變速箱190 kg，油箱及燃油370 kg，貨物12 000 kg，車架自重1 100 kg，人員180 kg，備胎140 kg等。

為了將上述載荷科學合理地分布于車架之上，應公平合理地分配載荷。在處于滿載狀態時，貨物是車架承受的重要載荷，鑒于車架的結構特征，可將貨物以均布載荷的形式進行布設[2]。在實踐中，一般會發生超載現象，所以文章將滿載貨物載重量的1.5倍增添至車架上，將其載荷規范合理地轉變為壓強，均衡地落在各個網格上。而變速器等相關附屬設備則直接按照集中載荷的形式進行布設，車架的自重可按照密度的大小折算至車架上，關于載荷的分布形式，如圖1所示。

3.2 約束條件

在遵循下述原則的基礎上，對模型增設合適的約束條件：確保約束充分，以此抵消結構出現的剛體位移;避免出現過約束的情形，否則會出現反力。

文章將為車輪施予合適的約束，即車橋部位，車橋的兩端均配備了堅固的車輪，可將其看作是剛體，所以為其添加約束是合理可行的。

3.3 滿載彎曲工況分析

為了客觀全面地評價車架剛度及產生于車架的應力，科學合理地明確變形及應力突變部位，需要對包括縱梁斷面處等在內的一系列相關特征點處的擾度及應力，展開科學合理的求解，其分析結果如圖2、圖3所示。

根據變形圖能夠清晰直觀地了解到，車架最大變形為21.06 mm。其中，懸架變形尤為明顯，多達13.38 mm。由此可知，車架實際變形是7.68 mm，遠小于其容許值10 mm，這意味著車架設計剛度滿足標準，抗變形性較強。

根據圖3能夠了解到，車架的最大應力為238.1 MPa，本車架采用的是韌性強、硬度高的WL510鋼材材料，其屈服最大值為350 MPa，表明在滿載1.5倍的狀態下，車架并不符合危險工況。因此，設計滿足要求，其應力多低于52.9 MPa，車架有較大的優化空間。

3.4 彎扭組合工況分析

汽車在正常行駛時，如果某車輪壓到障礙物或者落至某坑洞，車輪在處于懸空狀態或者被障礙物抬起時，車架勢必會產生一定的扭曲[3]。在彎扭組合工況下，車架受扭力的影響，無論是強度還是變形，均會發生明顯變化，這是一種相對危險的工況，其分析結果如圖4所示。

根據圖4可知，最大變形形成于縱梁左前部位，其變形值為25.09 mm，懸架變形14.94 mm，車架實際最大變形為10.15 mm。

根據應力分布圖5可知，應力峰值為309 MPa，出現于節點號為290 768的位置，即第一橫梁和車架連接的部位，其值低于屈服極限。

3.5 緊急制動工況分析

如圖6所示，車架最大變形出現在前端位置，這和汽車緊急制動的工況相契合，最大變形為26.2 mm。其中，懸架變形為14.1 mm，由此可推導出車架變形為12.1 mm。

根據圖7能夠了解到，受緊急制動的影響，車架應力明顯增大，彎曲程度也顯著提升，最大應力可達401.2 MPa，集中分布于吊耳模擬連周圍位置，與廠商反饋相一致。所以，應采取有效措施提高吊耳連接位置的強度。

4 結語

使用有限元法參與汽車設計，可以縮短設計周期、節約材料，在滿足各種設計指標的同時，降低車架重量。可以評估多種設計方案，預測結構的剛度、強度、疲勞壽命以及可靠性等性能，從而確定最佳設計方案，這些對于改善車架設計具有重要意義。

參考文獻

[1] 梁劍.車架靜力試驗與有限元靜力分析[J].機械研究與應用，2005，22（6）：72-73.

[2] 楊永鑫，馮川.重型卡車車架有限元分析及輕量化設計分析[J].機械研究與應用，2020（6）：56-59.

[3] 智淑亞，許牧天，李繼秋.基于ANSYS的車架有限元分析[J].金陵科技學院學報，2019（9）：89-92.