車架是汽車的重要組成部分，在汽車整車設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要位置，車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歷來(lái)為廣大汽車廠商所重視。隨著科技的進(jìn)步，國(guó)際上汽車車架的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)己由經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)入建模、靜動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化階段，并向基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)發(fā)展。國(guó)內(nèi)車架設(shè)計(jì)，尤其是轎車、客車和載重貨車車架設(shè)計(jì)仍以引進(jìn)技術(shù)為主，車架分析和設(shè)計(jì)能力較低，與國(guó)外先進(jìn)水平有較大差距。

本文以某汽車公司從歐洲引進(jìn)的牽引車車架為研究對(duì)象，對(duì)該車架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)應(yīng)力進(jìn)行分析了解，消化、吸收歐洲的先進(jìn)技術(shù)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)。分析手段主要是通過(guò)建立正確的有限元分析模型，對(duì)車架進(jìn)行典型工況的靜態(tài)分析、模態(tài)分析和路面不平度引起的隨機(jī)振動(dòng)分析，以此了解車架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，了解該車架的優(yōu)越性能及其不足之處，為新車架的改型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 有限元分析模型的建立

該車架為邊梁式[1]，由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接或焊接方式將縱梁和橫梁連接成堅(jiān)固的剛性結(jié)構(gòu)，縱梁上有鞍座，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于車架是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，有限元模型采用殼單元離散能詳細(xì)分析車架應(yīng)力集中問(wèn)題，可以真實(shí)反映車架縱、橫梁連接情況，是目前常采用一種模型。該車架是多層結(jié)構(gòu)，縱梁斷面為槽形，各層間用螺栓或鉚釘方式連接，這種結(jié)構(gòu)與具有連續(xù)橫截面的車架不同，其力的傳遞是不連續(xù)的。

圖1 車架結(jié)構(gòu)示意圖

該車架長(zhǎng)7m，寬約0.9m，包括雙層縱梁、橫梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飛機(jī)板、鑄鐵加強(qiáng)板、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝板、三角支撐板和后軸等部分組成?？紤]到車架幾何模型的復(fù)雜性，可在三維CAD 軟件UG 里建立好車架的面模型，導(dǎo)入到Hypermesh 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前置處理，然后提交到Ansys 解算。車架各層之間通過(guò)鉚釘聯(lián)接，可以用Hypermesh—connectors 中的bar 單元來(lái)模擬鉚釘聯(lián)接，對(duì)應(yīng)的是ANSYS 的MPC 單元，因車架各層間既有拉壓應(yīng)力，又有剪應(yīng)力，故MPC 的類型應(yīng)選擇Rigid Beam 方式。由于該車是多軸車，為超靜定結(jié)構(gòu)，為了得到車架結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力分布，必須考慮懸掛系統(tǒng)的變形情況。整個(gè)車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的有限元模型由車架有限元模型和懸掛系統(tǒng)等效有限元模型組成，其中縱橫梁、加強(qiáng)板等為薄壁結(jié)構(gòu)，以殼單元shell63 離散；鋼板彈簧、輪胎以彈簧單元模擬；前懸彈簧的模型為在每邊縱梁上采用2 個(gè)彈簧單元，每個(gè)彈簧單元通過(guò)MPC 與車架連接，后懸彈簧的模型為在每邊縱梁上采用1 個(gè)彈簧單元與車架后軸連接。殼單元總數(shù)為46770 個(gè)，MPC 單元為1338 個(gè)，材料為歐洲高強(qiáng)度材料，楊氏模量為2E5MPa，泊松比0.3。網(wǎng)格劃分后的局部模型如圖2 所示。

圖2 車架有限元模型的局部放大圖