王海濤，肖 平，時培成

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

基于ANSYS的某貨車邊梁式車架輕量化設(shè)計(jì)

王海濤，肖 平，時培成

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

針對車架輕量化設(shè)計(jì)問題，以貨車邊梁式車架為對象，開展輕量化設(shè)計(jì)研究。利用ANSYS有限元分析軟件對車架改進(jìn)前后的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行靜態(tài)分析，分析結(jié)果表明，輕量化設(shè)計(jì)后車架的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。模態(tài)分析結(jié)果顯示，改進(jìn)后車架滿足動力學(xué)特性要求，達(dá)到了車架輕量化設(shè)計(jì)的目的。

邊梁式車架； ANSYS軟件； 有限元分析； 輕量化設(shè)計(jì)

貨車車架是貨車的基體，其承載著發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、貨箱等貨車絕大多數(shù)部件和總成的安裝固定，因此，貨車的性能受車架的影響較大[1]。在滿足剛度和強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，對車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)不僅能節(jié)約原材料，提高加速和制動性能，而且還能降低燃油消耗，減少尾氣排放[2-7]。

本文以貨車上廣泛應(yīng)用的邊梁式車架為對象，匹配東風(fēng)EQ6100發(fā)動機(jī)，利用ANSYS有限元分析軟件，對某貨車邊梁式車架進(jìn)行靜態(tài)分析，再根據(jù)分析結(jié)果，采取措施對其進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 車架有限元分析

1.1 有限元建模

某貨車邊梁式車架由2根縱梁和7根橫梁組成，縱梁和橫梁截面均為槽型結(jié)構(gòu)，車架長度為6700 mm，匹配東風(fēng)EQ6100發(fā)動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1600 rpm，怠速550 rpm，發(fā)動機(jī)正常工作時經(jīng)常使用轉(zhuǎn)速為1200 rpm左右。

為進(jìn)行有限元分析，需對該邊梁式車架進(jìn)行三維建模，本文選用廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件UG作為三維建模軟件。為方便分析，在尊重實(shí)際情況和不影響設(shè)計(jì)精度的前提下，對模型進(jìn)行必要的簡化[6]，把過渡圓角及倒角按直角進(jìn)行簡化處理，縱梁與橫梁是以剛性聯(lián)接的薄壁件，忽略連接處的附件等。在UG軟件中建立車架的三維模型，將裝配后的車架三維模型轉(zhuǎn)化為ANSYS有限元分析能夠識別的igs格式導(dǎo)出。

啟動ANSYS Workbench，通過“import Browse”選項(xiàng)導(dǎo)入車架的三維幾何模型igs格式的文件，即可在ANSYS中看到模型，并可進(jìn)行編輯模型、選定施加約束和載荷的表面等操作，點(diǎn)擊“Generate”生成。在表面上施加約束和載荷的位置處作草圖，點(diǎn)擊“Extrude”，將Details View中Operation設(shè)置為Impact Faces，單擊“Generate”生成。有限元分析前，還需設(shè)置分析類型為靜力結(jié)構(gòu)分析Static Structural，編輯“Engineering Data”設(shè)置材料參數(shù)，以該邊梁式車架所用材料16Mn為分析類型，其彈性模量為210 GPa，密度為7.85 g/cm3，泊松比為0.3。材料設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“Model”進(jìn)入工程模塊，右擊“Mesh”選擇Generate Mesh自動劃分有限元網(wǎng)格，即可完成有限元網(wǎng)格模型建立。有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 有限元靜態(tài)分析

利用有限元分析軟件，通過對車架強(qiáng)度和剛度的有限元靜態(tài)分析，可以直觀地看出車架在各種工況下各零部件變形和材料應(yīng)力的最大值以及應(yīng)力分布情況、應(yīng)變情況。以此為依據(jù)，通過改變結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或者改變材料的特性可以調(diào)整質(zhì)量和剛度分布，使車架各部位的變形和受力情況盡量均衡。同時可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足使用要求的前提下，最大限度地降低材料用量，使車架的自重減輕，從而節(jié)省材料和降低油耗，提高整車的環(huán)保經(jīng)濟(jì)性[8]。

貨車處于運(yùn)動狀態(tài)時，其實(shí)際工況比較復(fù)雜，受力較多，將有行駛載荷、操作載荷及特殊載荷等多種載荷施加在車上，對車架而言，其承受有彎曲、側(cè)向、扭轉(zhuǎn)等載荷。此時會產(chǎn)生多種力的綜合作用，會在多個方向上產(chǎn)生位移和應(yīng)力，貨車典型的運(yùn)動工況有彎道、搓板路、扭曲路等，若進(jìn)行這些工況的有限元分析，需要確定動態(tài)載荷，則需要引入動載系數(shù)，然而動載系數(shù)對動態(tài)激勵下的載荷響應(yīng)而言是非常復(fù)雜的，經(jīng)常需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定，例如搓板路工況下，由于貨車前輪被同時抬高或落下，車速一般較低，單位時間內(nèi)變化較慢，慣性載荷小，動載系數(shù)一般在2.0以內(nèi)。進(jìn)行動載強(qiáng)度分析時，可以采用簡易分析方法，即用靜態(tài)分析法來分析動載情況，這樣雖然不能獲得某一具體時刻的應(yīng)力結(jié)果，但可以得到該工況的應(yīng)力均值。本文以靜態(tài)分析為例研究利用ANSYS有限元分析軟件對車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法，通過該前期初步研究可以為后期繼續(xù)開展動態(tài)分析及設(shè)計(jì)實(shí)踐奠定一定基礎(chǔ)。當(dāng)貨車靜止時，車架只承受加載在鋼板彈簧以上的部分載荷，是由車身、車架重量和車架上所承擔(dān)的其他質(zhì)量及有效載荷構(gòu)成的。

如前文所述，建立有限元模型，完成有限元網(wǎng)格劃分后需進(jìn)行約束添加，開展靜力分析?？紤]到車架主要做上下移動和自身彎曲，其本身不做前后平移或旋轉(zhuǎn)，車架的受力支撐位于其懸架鋼板彈簧支撐處，對此予以固定。以滿載彎曲工況為例進(jìn)行靜態(tài)分析。橫梁和縱梁連接處按照剛性連接處理，各載荷的方向均向下垂直作用在車架的上表面。在Analysis Settings中選擇Fixed Support，然后選擇約束表面，由于車架的受力支撐在鋼板彈簧支架的支撐處，因此，應(yīng)對這些支撐位置X、Y、Z軸3個方向的自由度進(jìn)行限制，將右縱梁前端和左縱梁后端支撐處完全固定約束，限制X、Y、Z軸的移動，右縱梁后端和左縱梁前端限制橫向和垂向位移，以防車架產(chǎn)生位移。

添加約束完成后，在進(jìn)行靜力學(xué)分析時，需按照實(shí)際情況將發(fā)動機(jī)、水箱、駕駛室、變速箱、貨箱等部件以大小不同的均布載荷在相應(yīng)位置進(jìn)行載荷加載，但考慮到加載過程中，受力較為復(fù)雜造成工作不便，而力矩又具有傳遞性，所以我們可以將力加載在各部件的質(zhì)心位置，然后將質(zhì)心與車架通過剛性連接相連，則力將傳遞到車架上。對載荷進(jìn)行合理處理后，將駕駛室總成、發(fā)動機(jī)和離合器總成等當(dāng)作均勻載荷施加在該車架的第三橫梁前，也就是車架頭部，約12 000 N，施加點(diǎn)位于第一和第三橫梁之間，且均勻分布。貨物及貨箱的質(zhì)量可以簡化為車架上的均布載荷，施加于車架第三橫梁之后的縱梁上，約65 000 N。

加載完成后，在Solution Imformation中添加Total Deformation和Equivalent Stress，點(diǎn)擊“Solve”求解，通過ANSYS的后處理模塊可得到該車架的總體變形圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖2和圖3所示。

由分析結(jié)果可知，車架最大應(yīng)力為41.9 MPa，應(yīng)力較大的區(qū)域位于第二、三根橫梁以及第四、五、六根橫梁連接處的左右側(cè)縱梁上，這是由于發(fā)動機(jī)、駕駛室、變速箱等質(zhì)量較大部件安裝于縱梁前部，以重力形式作用于相應(yīng)的支撐部位；同時，由于貨箱總質(zhì)量較大，安裝于第三根橫梁之后，所以縱梁中后部應(yīng)力較大，結(jié)合總體變形圖(圖2)可以看出，車架中部變形較大，這是由于車架中部承受載荷較大，且剛度較小，而車架前部第一、二根橫梁附件變形很小，是因?yàn)榇颂巹偠容^大；從圖2中還可以看出，第四橫梁及縱梁連接處易產(chǎn)生變形，應(yīng)在后期改進(jìn)設(shè)計(jì)中增加加強(qiáng)板，并且最后一根橫梁處變形也相對較大，這是由于最后一根橫梁處承受著來自貨箱的載荷，但其基本處于懸空狀態(tài)，沒有支撐，因而會發(fā)生一定的變形，在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中可以考慮將其剛度提高。

由于車架材料的屈服極限為350 MPa，結(jié)合其最大應(yīng)力可知，該車架安全系數(shù)較高，同時從應(yīng)力云圖(圖3)也可以看出，橫梁所受應(yīng)力較小，因此，輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)可在橫梁上適當(dāng)打孔，以減小車架整體質(zhì)量。

2 輕量化設(shè)計(jì)

2.1 模型改進(jìn)

對車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)可以通過使其橫縱梁中空化、薄壁化、小型化等途徑來實(shí)現(xiàn)[6]。本文以添加減重孔和減小壁厚降低質(zhì)量為例進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。選擇部分橫梁進(jìn)行輕量化改進(jìn)，將第二根橫梁壁厚減小1 mm，在其余橫梁上增加減重圓孔，同時將第二根橫梁形狀改為具有較好剛度的元寶形橫梁，能夠改善車架的承載情況；將第三根橫梁做成上拱形，以增加傳動軸相關(guān)部件的安裝空間；第四根橫梁為中橫梁，對其加以加強(qiáng)板，增加車架中部剛度，以減小該處變形。

對輕量化改進(jìn)后的車架模型劃分網(wǎng)格、材料屬性定義等均按照前文所述進(jìn)行，經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后的車架有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 輕量化設(shè)計(jì)后的車架有限元網(wǎng)格模型

按照輕量化設(shè)計(jì)前車架的約束和載荷加載的大小、位置和方向?qū)p量化設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行操作，可得車架優(yōu)化后的總體變形圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 輕量化設(shè)計(jì)后車架總體變形圖 圖6 輕量化設(shè)計(jì)后車架等效應(yīng)力云圖

根據(jù)分析結(jié)果，輕量化設(shè)計(jì)后車架最大應(yīng)力為74.3 MPa，比輕量化設(shè)計(jì)前增加了32.4 MPa，總體應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力產(chǎn)生于第六根橫梁左右兩端與縱梁連接處前后，應(yīng)力的相對增加并沒有使車架中部產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。

相對于應(yīng)力的變化，可以看出輕量化設(shè)計(jì)后車架的最大變形由之前的0.577 mm增加到了0.833 mm，增加了0.256 mm。由于對車架結(jié)構(gòu)作了一定的調(diào)整，所以輕量化設(shè)計(jì)前后的車架變形分布有一定差異，這是因質(zhì)量的減小和橫梁形狀的調(diào)整所致，變形有所增加，且增加后的變形依然小于最大允許變形量5 mm，所以輕量化設(shè)計(jì)后滿足車架的剛度要求，由強(qiáng)度安全系數(shù)公式

n=δs/δmax，

(1)

將δs=350 MPa，δmax=74.3 MPa代入式(1)，計(jì)算得n=4.71，因此，該車架輕量化設(shè)計(jì)后安全系數(shù)大于允許安全系數(shù)1，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，但是該安全系數(shù)還是較大，說明還有很大的優(yōu)化空間，可以進(jìn)一步輕量化改進(jìn)。

2.2 模態(tài)分析

表1 車架前6階固有頻率

為防止車輛行駛中發(fā)生共振現(xiàn)象，可以利用ANSYS軟件對該輕量化設(shè)計(jì)后的車架模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)合該邊梁式車架的實(shí)際應(yīng)用，本文利用ANSYS Modal-Mechanical模塊進(jìn)行模態(tài)分析，求解了前6階模態(tài)固有頻率和前6階模態(tài)振型，鑒于篇幅所限不再列舉其振型圖，前6階模態(tài)固有頻率如表1所示。

車架所受激勵主要來自于路面和發(fā)動機(jī)，路面的激勵頻率多在20 Hz以下[9-10]。該貨車匹配的發(fā)動機(jī)怠速為550 rpm，發(fā)動機(jī)正常工作時經(jīng)常使用轉(zhuǎn)速為1200 rpm，所以該6缸發(fā)動機(jī)怠速振動頻率約為27 Hz，正常工作時發(fā)動機(jī)振動頻率約為60 Hz，因此，發(fā)動機(jī)工作時，振動頻率經(jīng)常處于27～60 Hz之間。根據(jù)表1分析結(jié)果可知，路面激勵頻率均低于該車架的前6階固有頻率，因而車架可以避開因路面不平而引發(fā)的低頻共振。同時改進(jìn)后車架的1階模態(tài)固有頻率為42.646 Hz，2階模態(tài)固有頻率為84.222 Hz，因此，從模態(tài)分析結(jié)果來看，該車架設(shè)計(jì)避開了與發(fā)動機(jī)共振的頻率區(qū)間，滿足車架的動力學(xué)性能要求。

3 結(jié) 語

以某貨車邊梁式車架為對象，本文開展了輕量化設(shè)計(jì)研究，建立車架的三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變靜態(tài)分析。

有限元分析結(jié)果表明，車架有較大的輕量化設(shè)計(jì)空間。按照輕量化設(shè)計(jì)的要求，對其做了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，對改進(jìn)后的模型再次進(jìn)行了有限元分析，通過改進(jìn)前后分析結(jié)果的對比可知，在強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，通過改進(jìn)降低了車架質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目的。并且對改進(jìn)后的模型進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果顯示，車架的動態(tài)特性也滿足工作要求。

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[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Lightweight design of side beam frame of a truck based on ANSYS

WANG Hai-tao,XIAO Ping,SHI Pei-cheng

(Mechanical and Automobile Engineering College,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

In terms of the problem of the lightweight design of frame,the paper reseaches into the lightweight design by taking side beam frame of truck as the object. The strength and stiffness static analysis of the unimproved and improved frame has been done by using ANSYS finite element analysis software,and the results show that the strength and stiffness of the frame can meet the design requirements after lightweight design. Combined with the modal analysis,it is verified that the improved frame meets the requirements of dynamic characteristics,and the lightweight design of the frame is achieved.

side beam frame; ANSYS software; finite element analysis; lightweight design

2096-3998(2017)03-0005-05

2017-01-09

2017-03-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575001)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1508085ME70)；安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016A799)；安徽省高等教育提升計(jì)劃省級自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目(TSKJ2015B06)；安徽工程大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目(2012YQ30)

王海濤(1983—)，男，安徽省亳州市人，安徽工程大學(xué)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子技術(shù)；肖平(1973—)，男，安徽省銅陵市人，安徽工程大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)槠噭恿W(xué)與控制；時培成(1976—)，男，安徽省六安市人，安徽工程大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)槠囌駝优c控制技術(shù)。

U270.2

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