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利用ANSYS软件分析载重货车车架的静态强度

2020-02-26 485 上传者：管理员

摘要：车架要随货车大部分重要，在行驶时车架还需承受来自车内各部件的力和力矩的作用。作为货车其车架应具有出色的抗弯、抗扭以及抗疲劳性能。本文以载重货车车架为研究对象，我们采用Solidworks对该车架进行了三维虚拟建模，将该三维模型导入有限元分析ANSYS中进行网格划分，对负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲以及紧急制动四种工况下的车架进行了静力学分析，得到了各种工况下的变形和应力分布情况。

关键词：
工况
应力分布
有限元分析
货车车架
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货车整车大部分的重量都由车架承受，在行驶时车架还需承受来自车内各部件的力和力矩的作用。例面对崎岖不平的道路，由于车轮的冲击，车架会受到冲击载荷，而造成相应的扭转变形，车内各部件的相对位置也可能发生变化，这将不利于车体的稳定性。因此，对于载重货车来说，其车架应具有出色的抗弯、抗扭以及抗疲劳性能[1-3]。另一方面，传统的车架设计因缺少相应的定量分析已经不能满足快速发展的市场需求。随着近二十几年来，有限元分析理论的日益成熟以及计算机辅助技术的快速发展，CAE分析已经深入渗透在车架开发设计以及结构优化的全过程。周元利用CAD软件研究了重型栅栏式运输车车架在四种工况的强度性能、刚度性能以及前七阶的模态分析，对应例集中区域进行了相应的优化，提高车架结构的合理性[4]。孙艳鹏利用ANSYS软件，对货车车架在弯曲、扭转、紧急制动和紧急转弯四种工况下的静态强度进行了分析，为研究车架稳定性提供了许多指导意义[5]。为此，本文以某边梁式货车为研究对象，对负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲以及紧急制动四种工况下的车架进行了静力学分析。

1、计算模型的建立

以载重货车车架为研究对象，车架采用边梁式设计，分别由2根纵梁和6根横梁组成，纵梁上下表面平直。车架整体的总长度设定为8400mm，总宽860mm。纵梁和横梁的高度都是300mm，宽度都为90mm。我们采用Solidworks对该车架进行了三维虚拟建模。它的物理属性如表1所示。

表1车架的基本物性参数

将该三维模型导入有限元分析ANSYS中进行网格划分，整个车架被划分为109297个单元，218357个节点，413723个自由度，其中接触单元1658个。车架的实体建模和网格划分如图1所示。

图1(a)实体模型；(b)网格划分图

2、车架的静力学分析

2.1 静止负载弯曲

满载弯曲条件是当车辆在满载情况下在良好道路上以恒定速度行驶时车架对其承受的重量的响应。满载状态也是卡车的限制条件。在这种情况下，如果框架符合相应的标准，在正常工作条件下将不可避免地达到标准。驾驶室分布在车架前端22mm上，其他总成加载重1000kg均匀分布在车架后端，将固定位约束施加在车架与悬架连接的八个面上，如图2所示。

图2(a)货物加载位；(b)发动机变速箱集中加力位

满载的变形如图3(a)所示。框架尾部的变形最大，为2.20mm，框架最大弯曲挠度正常小于10mm，因而车架在静态满载情况下满足相应性能要求。由于这种型号的车太长，车架的悬挂时间太长。在模拟分析中，载荷按均匀分布运行，导致框架尾部变形。在实际使用中，尾端的载荷不会太大，所以实际中的变形量会更小。从内部应力云图3(b)中不难看出，组件的等效应力不超过屈服应力（320MPa），后轮后支撑的最大应力为144.85MPa，小于材料的屈服强度，因此框架在静止时处于满载状态时满足性能要求。

图3(a)满载位移云图；(b)满载应力云图

2.2 静止30%超载

若在货箱位置多施加30%负载，从图4（a）中可以看出，在这种情况下，框架的最大变形是2.8632mm，位于货车尾端。最大的弯曲挠度小于10mm，所以在静态30%超载工况下的车架满足相应性能要求。再来看图4（b）的应力云图，等效应力也是没有超过屈服应力（320MPa）的部分，最大应力值188.3MPa，小于材料的屈服极限。因此，当车架30%超载时满足性能要求。

图4(a)30%超载位移云图；(b)30%超载应力云图

2.3 非水平扭转

图5(a)车架扭曲变形位移图；(b)车架扭曲变形应力图

当车辆一侧的轮胎进入凹坑或遇到凸起的障碍物时，通常会出现框架最严重的变形。在这种扭转条件下，汽车的应力和变形是最差的。通常，在粗糙和不平坦的道路上，速度较低，向右前轮施加10mm的位移，并且根据固定的位移处理其他三个轮。框架的最大位移和应力云计算如图5所示。由计算结果可知，在扭曲变形工况下最大位移为10.192mm，发生在车架右前部；最大应力399.3MPa，所以发生在悬架与汽车实用技术120车架连接处架依然满足性能要求。

2.4 横向弯曲工况

车辆行驶途中突然急转时，在离心力的作用下，框架承受横向载荷。以紧急右转限制状态例，转弯半径按10m计算。前轮采用固定约束，在满载条件下应用2.5m/s2的横向加速度。相应的位移和应力云如下图6所示。最大位移为17.891mm，发生在车架末端；最大应力为148.8MPa，发生在前悬架与元宝梁连接处，满足车架性能要求。

图6(a)横向弯曲位移云图；(b)横向弯曲应力云图

2.5 紧急制动工况

车辆在紧急制动时，车架会受到各部分的载荷与纵向产生的惯性力的作用。满载紧急制动时，考虑前后车轮完全抱死的情况，附着系数取φ=0.7，制动时的最大减速度为0.7m/s，车架位移云图和应力云图如图7所示。在这种情况下，框架的最大变形为2.2025mm，框架的最大弯曲挠度通常小于10mm，所以该车架在静态满载工况下满足性能要求。等效应力没有超过屈服应力（493MPa），最大应力114.8MPa，还是出现在左后轮后支撑处，依然小于材料的屈服极限，因此车架满足性能要求。

图7(a)紧急制动位移云图；(b)紧急制动应力云图

3、结论

采用Solidworks软件绘制货车车架的三维模型。同时，采用ANSYSworkbench有限元分析软件分析了框架四种典型工况的静态条件，包括承载、扭转与弯曲情况，得到了各种工况下的变形和应力分布情况，结果显示该车架在所有工况下都满足安全性能要求。

参考文献：

[1]刘丹.重型载货汽车车架的有限元分析及优化[D].合肥工业大学,2009.

[2]柏林.重型载货汽车车架有限元分析及拓扑优化[D].合肥工业大学,2010.

[3]余刚珍.基于ANSYSWorkbench的车架结构有限元分析及拓扑优化技术研究[D].2015.

[4]周文.重型货车车架有限元分析与结构优化[D].安徽理工大学,2017.

[5]孙艳鹏.载重汽车车架有限元分析及优化[D].重庆交通大学,2008.

洪雨,彭闪闪,王玲芝,许星月,刘通,尹宗军.载重货车车架的静力学分析[J].汽车实用技术,2019(16):118-120.