楊永鑫，馮 川

(濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256600)

0 引 言

重型卡車作為物流交通、建筑工程和工業(yè)生產(chǎn)的主要運(yùn)輸車輛，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在行駛過程中，卡車車身承載較大的貨物負(fù)重和行進(jìn)路面凹凸不平顛簸振蕩，這樣惡劣的工作環(huán)境也對(duì)卡車性能提出了更高的要求。

車架是跨接在汽車前后車橋上的框架式結(jié)構(gòu)，承受車輛的載荷和來自車輪的振動(dòng)沖擊，對(duì)車輛的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。重型卡車在長時(shí)間行駛后，車架會(huì)出現(xiàn)明顯的變形，甚至發(fā)生斷裂等情況，造成安全事故[1]。因此研究重型卡車車架強(qiáng)度和剛度的變化規(guī)律，通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其滿足苛刻的工作要求，是非常必要的。

筆者通過對(duì)某重型卡車車架的有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)，得出車架在四種典型工況下應(yīng)力及應(yīng)變的變化規(guī)律，并就剛度與強(qiáng)度完成了校核檢驗(yàn)，所得結(jié)論對(duì)車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有積極的指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

本文研究的對(duì)象是某重型卡車車架，主要由2根縱梁、15根橫梁及多種焊接件組成?？ㄜ嚨闹饕Y(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

在SolidWorks軟件中完成車架結(jié)構(gòu)模型的建立。在建模過程中忽略螺栓、鉚釘?shù)葘?duì)分析結(jié)果影響較小的覆蓋零件，同時(shí)將所有圓角和倒角簡化成直角[2]。車架的三維模型如圖1所示。

表1 卡車主要結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

圖1 車架的三維模型

2 有限元靜力分析

將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。由于車架的橫梁和縱梁都采用平直設(shè)計(jì)，因此選四節(jié)點(diǎn)殼體單元SHELL63進(jìn)行分析。SHELL63是一種殼板單元，具有彎曲和薄膜的特性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，包含3個(gè)方向平動(dòng)和3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)單元共24個(gè)自由度[3]。不僅可以在4個(gè)方面定義厚度，還可以給定彈性硬度、各向異性等參數(shù)，在承受法向載荷的同時(shí)也包含平板彎曲的功能。

2.1 網(wǎng)格的劃分及邊界條件

2.1.1 網(wǎng)格的劃分

(1) 劃分網(wǎng)格數(shù)量 劃分網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響計(jì)算結(jié)果，一般情況下網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算結(jié)果精確度越高。但數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增加，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)要綜合考慮各方面影響因素[4]。分析時(shí)選用邊長20 mm的網(wǎng)格，最終將車架離散成171 858個(gè)單元體，共350 674個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2) 網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn) 為使劃分的網(wǎng)格適應(yīng)邊界條件，在特殊的點(diǎn)或邊界處定義不同的載荷和約束。處理焊接時(shí)，盡量使殘余應(yīng)力變得較小，以至不影響卡車車架的承載能力。為此，選用共線glue的處理方法，即兩面劃分的單元數(shù)相同，使其自然節(jié)點(diǎn)重合[5]。這種方法雖然對(duì)網(wǎng)格劃分要求較高，但可省去后續(xù)繁瑣的操作，計(jì)算時(shí)也不易出錯(cuò)。

(3) 網(wǎng)格疏密 在卡車車架結(jié)構(gòu)變化的地方采用大小不同的網(wǎng)格，可以提高精度降低誤差。在應(yīng)力梯度變化較大處，采用密集的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以更清楚的表示變化規(guī)律。在應(yīng)力梯度變化平緩的地方，則采用稀疏的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以減少不必要的計(jì)算[6]。

2.1.2 邊界條件

一般車架是通過懸架于車橋連接在一起，要想準(zhǔn)確表示車架的應(yīng)力分布，必須精確的模擬懸架結(jié)構(gòu)。在卡車行駛過程中，懸架系統(tǒng)是變化的，在建立邊界條件時(shí)，由于輪胎和減震彈簧的剛度較大，可以忽略其對(duì)分析結(jié)果的影響。定義車架縱向?yàn)閤方向，橫向?yàn)閦方向，垂向?yàn)閥方向。

(1) 位移邊界條件 ①約束左前支撐點(diǎn)x，y和z的自由度；②約束左后支撐點(diǎn)y和z的自由度；③約束右前支撐點(diǎn)x和y的自由度；④約束右后支撐點(diǎn)y自由度。

(2) 載荷邊界條件 ①駕駛室對(duì)車架的作用可抽象為均布載荷分布到縱梁的相應(yīng)位置；②發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等對(duì)車架的影響可用卡車總成設(shè)備的自重表示；③車廂及貨物通過其縱梁固定在車架上。

2.2 各工況下的有限元分析

重型卡車在行駛過程中會(huì)處于多種不同的工況，其中以彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)彎工況最為典型[7]。而滿載狀態(tài)作為車輛承載能力的極端情況，是卡車最佳性能的集中體現(xiàn)。因此，本文就重型卡車車架在四種工況下的有限元模型施加約束條件和滿載載荷，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變變化進(jìn)行有限元分析，校核其極限剛度和強(qiáng)度。重型卡車車架采用Q235鋼材，材料參數(shù)如表2所列。

表2 重型卡車車架材料Q235低碳鋼特性

2.2.1 滿載彎曲工況

卡車處于滿載彎曲工況時(shí)，所有車輪均與地面接觸，車架上裝載19.6 kN的貨物。整個(gè)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，固定卡車懸架于車架連接處，約束連接處除Z軸方向的全部自由度，車架的底部設(shè)置有支持平面。在車架上面施加19.6 kN的靜載荷，方向垂直向下，駕駛室位置設(shè)置9.8 kN重的靜載荷，方向垂直向下?？v梁和橫梁平面承受0.071 6 kN/mm2的均布載荷，方向垂直向下，選取重力加速度為9.8 m/s2。

圖2表示計(jì)算得到的滿載彎曲工況下車架變形，由圖可知，最大變形處位于車架前后端的兩個(gè)橫梁上，最大位移為0.550 4 mm，此處的等效應(yīng)力為100.47 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁后端與懸架連接處附近，應(yīng)力值為129.18 MPa，如圖3所示。

圖2 滿載彎曲工況車架變形圖

圖3 滿載彎曲工況最大應(yīng)力點(diǎn)位置

2.2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

滿載扭轉(zhuǎn)工況在約束時(shí)將左前、左后及右后車輪均與地面接觸，右前車輪懸空，可下沉10 mm，重型載貨車架承受19.6 kN的靜載荷，方向垂直向下，重型卡車車架處于彎扭狀態(tài)?？v梁和橫梁上平面承受均布載荷為0.071 6 kN/mm2，選取重力加速度為9.8 m/s2。經(jīng)ANSYS軟件分析得到滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架變形如圖4所示，最大變形位于車架右側(cè)縱梁中間與懸架連接處，最大位移為7.948 9 mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁與懸架支撐點(diǎn)附近，值為56.434 MPa，如圖5。

圖4 滿載扭轉(zhuǎn)工況車架變形圖

圖5 滿載扭轉(zhuǎn)工況最大等效應(yīng)力圖

2.2.3 滿載緊急制動(dòng)工況

在重型卡車緊急制動(dòng)時(shí)，由于地面制動(dòng)力對(duì)車架的影響，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向前的慣性載荷，車架同樣施加19.6 kN的載荷，方向垂直向下。選取附著系數(shù)為0.7的路面，由于最大制動(dòng)減速度與地面附著系數(shù)成正比，因此在X軸方向?qū)⒆饔糜?0.7×9.8 m/s2的慣性力，其他約束條件與滿載彎曲工況時(shí)相同。

圖6表示滿載緊急制動(dòng)工況下車架的變形圖，最大變形量為0.551 32 mm，出現(xiàn)在卡車車架最后端橫梁上。車架的最大應(yīng)力為129.24 MPa，位于車架最后端的橫梁與縱梁連接處，如圖7所示。

圖6 滿載緊急制動(dòng)工況車架變形圖

圖7 滿載緊急制動(dòng)工況最大應(yīng)力分布圖

2.2.4 滿載急轉(zhuǎn)彎工況

當(dāng)車輛發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)，最大轉(zhuǎn)向速度產(chǎn)生的離心慣性力對(duì)車架影響較大。對(duì)重型卡車車架施加19.6 kN的靜載荷，取地面附著系數(shù)0.4，在Z軸方向施加-0.4×9.8 m/s2的離心加速度，其他約束條件與滿載彎曲工況相同。作用在車架上的縱向慣性力可抽象為摩擦力和扭矩，摩擦力作用在貨物與車架的接觸面上，扭矩用前后梁受到反向拉力表示。

圖8表示滿載急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)的變形圖，最大變形出現(xiàn)在車架的前后端橫梁上，變形量為0.367 24 mm。車架應(yīng)力的最大值為85.032 MPa，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位于車架縱梁后端與懸架連接處附近，如圖9所示。

圖8 滿載急轉(zhuǎn)彎工況車架變形圖

圖9 滿載急轉(zhuǎn)彎工況位移圖

總結(jié)以上分析結(jié)果，在四種典型滿載工況下車架最大應(yīng)力都小于材料的屈服極限235 MPa，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。車架在豎直方向上的最大位移量小于10 mm，該車架的剛度也滿足使用條件。除個(gè)別應(yīng)力集中處和變形較大位置，車架整體應(yīng)力應(yīng)變值遠(yuǎn)小于極限標(biāo)準(zhǔn)。因此，車架在設(shè)計(jì)上還存在較大的優(yōu)化空間。

3 車架的輕量化設(shè)計(jì)

汽車輕量化是指在保證強(qiáng)度和安全性的基礎(chǔ)上，減少整車質(zhì)量，削減制造成本，從而降低能源消耗。由于環(huán)保和節(jié)能需要，車輛的輕量化設(shè)計(jì)已然成為汽車生產(chǎn)制造的發(fā)展趨勢[8]。

從輕量化的角度對(duì)重型卡車車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。車架依然采用梯形式結(jié)構(gòu)，將車架縱梁厚度減少為原來的1/3，即由12.0 mm減小到8.0 mm。車架橫梁厚度減少為原來的1/4，即由8.00 mm減小到6.00 mm。對(duì)于應(yīng)力和應(yīng)變值較小的位置，采用多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到減輕車架重量的目的?？v梁的中間及與橫梁接觸點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，等間距設(shè)計(jì)直徑為30 mm的圓孔，每個(gè)縱梁45個(gè)，共計(jì)90個(gè)。橫梁的中間位置等間距設(shè)計(jì)直徑為50 mm的圓孔，共84個(gè)。

輕量化前的車架重量為6.56 t，輕量化后的車架質(zhì)量為5.89 t，降低了10.21%。輕量化優(yōu)化后的車架模型如圖10所示。

圖10 車架輕量化優(yōu)化后的模型圖

在進(jìn)行不同工況下的靜力分析時(shí)，要保證與輕量化之前的約束條件一致，即施加19.6kN的靜載荷，慣性力為0.7×9.8m/s2，離心力為0.4×9.8 m/s2，制動(dòng)時(shí)地面附著系數(shù)取0.7，急轉(zhuǎn)彎時(shí)地面附著系數(shù)取0.4。

3.1 滿載彎曲工況

圖11表示計(jì)算后得到的滿載彎曲工況下車架變形圖，圖中最大變形出現(xiàn)在車架前后端的兩個(gè)橫梁位置，最大位移是0.645 27 mm，等效應(yīng)力為125.17 MPa。最大應(yīng)力位于縱梁與懸架支撐點(diǎn)附近，最大等效應(yīng)力值為150.91 MPa，如圖12所示。

圖11 優(yōu)化后滿載彎曲工況位移圖

圖12 優(yōu)化后滿載彎曲工況最大應(yīng)力點(diǎn)

3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

經(jīng)過分析得到滿載扭轉(zhuǎn)工況車架變形如圖13所示，最大變形出現(xiàn)在車架中部的側(cè)邊梁上，最大位移為8.525 6 mm。最大應(yīng)力位于縱梁與懸架支撐點(diǎn)附近，最大應(yīng)力值為63.183 MPa，如圖14所示。

圖13 優(yōu)化后滿載扭轉(zhuǎn)工況位移圖

圖14 優(yōu)化后滿載扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力點(diǎn)

3.3 滿載緊急制動(dòng)工況

優(yōu)化后滿載緊急制動(dòng)工況位移變化如圖15所示，最大變形量為0.613 9 mm，出現(xiàn)在卡車車架后端縱梁與橫梁連接處。車架的應(yīng)力最大值為150.95 MPa，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位于車架后端的橫梁上，如圖16所示。

圖15 優(yōu)化后滿載緊急制動(dòng)工況位移圖

圖16 優(yōu)化后滿載緊急制動(dòng)工況應(yīng)力最大點(diǎn)

3.4 滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況

圖17所示優(yōu)化后滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況位移變化，最大變形量為0.438 5 mm，出現(xiàn)在車架后端橫梁上。車架應(yīng)力的最大值為107.82 MPa，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位于車架后端縱梁與橫梁連接處附近，如圖18所示。

圖17 優(yōu)化后滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況位移圖

圖18 優(yōu)化后滿載緊急轉(zhuǎn)彎工況最大應(yīng)力點(diǎn)

表3表示輕量化前后四種滿載典型工況下最大應(yīng)力和應(yīng)變變化情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后車架的最大位移和應(yīng)力都較優(yōu)化前有所提高，但仍低于規(guī)定限值，因此，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 輕量化優(yōu)化前后分析結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié) 語

針對(duì)某重型卡車車架結(jié)構(gòu)建立三維模型，應(yīng)用ANSYS軟件在滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)，滿載緊急制動(dòng)和滿載急轉(zhuǎn)彎四個(gè)典型工況下對(duì)車架進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果顯示，車架的強(qiáng)度和剛度都滿足使用要求。在此基礎(chǔ)上對(duì)該卡車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成輕量化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果對(duì)重型卡車車架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為輕量化方案合理選擇提供了參考。