摘 要：用UG軟件建立某自卸車車架的三維模型，引入ANSYS有限元分析軟件，按照設(shè)計要求，對車架的載荷計算進行了探討，分析了其應(yīng)力分布狀態(tài)和變形情況及模態(tài)分析，驗證了車架設(shè)計的合理性。
關(guān)鍵詞：自卸車 車架 有限元

1 前言

某公司開發(fā)的平頭四輪自卸車，其車架需進行強度校核，筆者利用設(shè)計的二維圖紙，再用UG軟件建立了三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中進行強度、剛度分析，利用分析的結(jié)果驗證了設(shè)計的合理性，提出了局部改進方案，對設(shè)計進行優(yōu)化。

2 車架結(jié)構(gòu)

該自卸車設(shè)計載重量2 t，車架全長4 255 mm，寬度為720 mm。邊梁式、前后等寬，縱橫梁皆為槽鋼勺鉚接件，縱梁最大斷面尺寸是160 mm×65 mm×5mm，四根橫梁的斷面尺寸為139 mm×65 mm×5mmmm，一根復(fù)合橫梁、一根元寶梁。車架結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3 車架的受力狀態(tài)

靜止和勻速行駛過程中，貨箱的質(zhì)量和汽車的載重均勻分布在支撐貨箱的車架縱梁的上表面上；駕駛室的重量作用在車架前端四支承點上；車架的元寶梁和其前方兩個支架支撐著該車的動力總成；其他總成支承在相關(guān)固定位置。

剛開始卸貨的瞬問，貨物和貨箱的質(zhì)量對車架的作用力按集中載荷處理，作用在二舉升缸的支承位置，其余載荷同靜止?fàn)顟B(tài)。

車輛在崎嶇不平的道路上低速行駛時，有可能會產(chǎn)生一輪懸空，而另一側(cè)車輪遇到路面凸起的狀態(tài)，則此輪所受載荷為零，另一側(cè)車輪所受載荷為原來的2倍。對載重車而言，后輪懸空車架所受應(yīng)力最大。在計算中，以車輛滿載水平放置狀況下，再在車架相應(yīng)位置施加等效扭轉(zhuǎn)力矩來模擬。

4 車架的有限元分析

4．1 有限元模型的建立

使用UG軟件按照設(shè)計圖紙建立三維實體模型，在保證計算精度及單元劃分的前提下，適當(dāng)?shù)膶嚰艿膸缀谓Y(jié)構(gòu)進行簡化，導(dǎo)入ANSYS軟件。利用三維模型編輯工具采對模型進仃進一步的編輯，然后進行劃分網(wǎng)格等操作。

4．1．1 單元類型

在早期及現(xiàn)有的車架有限元分析資料中，多采用梁單元和板單元。以梁單元的截面特性來反映車架的結(jié)構(gòu)特性，但它不能正確反映車架縱、橫梁的截面形狀，無法仔細(xì)分析車架的應(yīng)力集中問題。而板單元在其節(jié)點處只有三個自由度，是用來模擬板件受垂直、平行于板平面的載荷產(chǎn)生彎曲的情況。但在實際情況中，車架縱梁和橫梁的腹板等結(jié)構(gòu)除了承受以上的力外，還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況，所以使用板單元也不能有效地模擬車架受載時的各種變形。而殼單元除有彎扭變形外，還存在中面的拉、壓和剪切變形，更接近于車架受力真實狀態(tài)。因此筆者采用SHELL63彈性板殼單元，該單元為4節(jié)點24自由度，既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷，具有大應(yīng)變、大撓度、大轉(zhuǎn)動的線性特性和彈性、應(yīng)力剛化等特性，對車架進行有限元分析更加合理。

4．1．2 單元劃分

根據(jù)本車架的結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)過比較后，將大部分單元網(wǎng)格的尺寸取為20 mm×2O mm，長寬比為1：1，用在一般部位。而對車架受力形態(tài)有重要影響的區(qū)域，如連接部位、截面變化區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方則要進行網(wǎng)格的細(xì)化，提高計算精度。在車架模型中的一些片體要分為多個小的片體分別劃分網(wǎng)格，在這些片體的交界處就容易發(fā)生單元的形狀畸變，在劃分網(wǎng)格時，則根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，采用三角形單元過渡連接。另外，由于該車架為鉚接結(jié)構(gòu)，其鉚接區(qū)域的結(jié)構(gòu)厚度會增加，所以模型中的一些部分就需要根據(jù)結(jié)構(gòu)而分成多個區(qū)域來定義厚度。劃分網(wǎng)格后，共計13 491個節(jié)點，12759個單元。

4．1．3 定義材料屬性

車架選用的鋼材為16MnL，其彈性模量為2．O6×10⁵MPa，泊松比為0．29，密度為7 800 kg／m³。

4．2 各工況下的載荷分布

本文涉及的載重車設(shè)計承載為2 t，但考慮到在運輸中的超載現(xiàn)象和保證一定的安全系數(shù)，該車架按照承載3 t進行剛度、強度較核。根據(jù)前述車架受力狀況有以下三種工況：

4．2．1 在靜載和勻速行駛(工況一)

零部件均依照其安裝位置進行加載，并根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)選擇以集中載荷或均布載荷方式加載。由于對車架模型進行了結(jié)構(gòu)簡化，造成必須對某些載荷進行平移。此時須在模型上施加平移載荷后所產(chǎn)生的彎矩，最后還需在模型上施加車架本身的重力，如圖2。

圖2 工況-車架模型

車箱受力狀態(tài)如圖3所示。圖3中：F為車箱所受的舉升力，G為車箱和貨物所受重力；從轉(zhuǎn)軸處取矩，根據(jù)力矩平衡FsinαL2=GL1，F(xiàn)與轉(zhuǎn)軸處的支座反力可得：Fx=42 619N，F(xiàn)z= 47 450 N，Tx=-42 619N，Tz=-13 640 N。其中，G取3 450 kg(載重3 000 kg，車箱等構(gòu)件自重450 kg)。

均勻分布在車架縱梁上表面的載重就轉(zhuǎn)化成了車箱對車架的力F與支座對車架的反力。

4．2．3 滿載，在崎嶇道路上低速行駛(工況三)

后軸所受載荷G1=Ma·g·b／L，當(dāng)一后輪懸空時，相當(dāng)于在車架兩根縱梁上分別施加反向載荷力F：F=G1B1／2B2=5 603 N。

上二式中，Ma為滿載簧上質(zhì)量；b為簧上質(zhì)量質(zhì)心到前軸的距離；B1為左右板簧中心距；L為軸距；B2為車架縱梁中心距。