基于ABAQUS重型自卸车副车架强度分析

王许州，杨　璐*，李庆江，魏本雪

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳　110870；2.菏泽学院教务处，山东菏泽　274015；

3.山东五征集团有限公司汽车事业技术部，山东日照　262306)



基于ABAQUS重型自卸车副车架强度分析

王许州1，杨璐1*，李庆江2，魏本雪3

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳110870；2.菏泽学院教务处，山东菏泽274015；

3.山东五征集团有限公司汽车事业技术部，山东日照262306)

摘要：针对某自卸车长时间使用后副车架局部出现疲劳裂纹的情况，以该重型自卸车副车架为原型建立计算模型，利用ABAQUS有限元软件对该副车架的不同工况进行静力分析。结果表明：在3种典型工况下，副车架产生的等效应力比较接近，扭转工况时产生的等效应力最大，为270.1 MPa，安全系数为1.26，满足强度要求；但车架前中部管梁处位移比较大，应力集中较明显，长时间使用后该处容易产生疲劳断裂。模拟分析数据可为重型自卸车副车架优化改进设计提供理论依据。

关键词：副车架；疲劳裂纹；静力分析；优化改进

随着我国城市化建设、高速铁路及公路建设的飞速发展，对大型筑路及矿山开采机械的需求不断增加，重型自卸车成为不可缺少的运输工具[1]。某厂生产的重型自卸车，在长时间使用后，副车架局部出现了疲劳裂纹。为了正确评估副车架结构的合理性，寻找结构设计的薄弱区域，为厂家优化改进提供依据[2]。本文以该厂生产的重型自卸车副车架为原型，建立计算仿真模型，分别对该副车架在不同工况下进行静力分析。

1副车架计算模型

1.1副车架

自卸车主要由主车架、副车架、驾驶室、货箱、液压举升装置、发动机等组成。副车架作为汽车的主要承载体，也是货厢与汽车主车架之间的缓冲带，能有效避免应力集中对主车架造成的伤害，避免货物和货箱对主车架的直接冲击，延长汽车使用寿命[3]。因此副车架的设计是整车设计中的关键环节之一[4]。

某厂生产的边梁式自卸车副车架由2根纵梁、5根横梁(包含1根管梁)组成。纵梁采用厚度为10 mm的薄壁箱型梁，横梁采用厚度为10 mm的槽钢，横梁与纵梁通过焊接结合在一起。

该副车架材料为Q345b型钢，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7.85×10-3g/mm3，屈服强度极限为345 MPa。

1.2建模

根据厂家提供的参数，利用SOLIDWORKS软件建立副车架模型。建模时：

1)忽略模型中的非承载件，对不需特别关注的细节(如横梁倒角、细小螺栓孔)予以省略[5]；

2)认为结构中的焊接是理想焊接，即焊接区域材料与其他区域相同[6]；

3)材料参数按照理想弹塑性进行设置。

将建好的模型导入ABAQUS中并进行修补后完成几何模型的建立。利用ABAQUS中的自带功能对副车架进行剖分后划分网格，为了提高分析精度，模型使用8节点六面线性减缩积分单元C3D8R，该单元得到的位移和应力比较准确[7]，同时该单元类型在对结构进行弯曲工况计算时效率较高。为了防止沙漏产生，控制网格大小为0.01 m，划分后共产生52 500个节点，32 495个单元。

1.3边界条件及载荷工况

图1　副车架的约束

副车架安装在主车架上，汽车悬挂和轮胎与主车架相连，不与副车架直接接触，中后两桥采用联合悬挂与车轮连接。对副车架进行静力分析时，在车架前桥两个轮胎向副车架下表面投影处设置约束(如图1中A1、A2点所示)，中后两桥联合悬挂中心线位置向副车架下表面投影处设置约束(如图1中B1、B2点所示)[8]。进行等效后副车架前方A1、A2区约束面积为24 000 mm2，距离车架后端面4 510 mm，后方B1、B2区约束面积为8 000 mm2，距离车架后端面60 mm，具体约束情况根据载荷工况进行设定。

该自卸车主要用于野外作业，作业环境比较复杂，通过分析车辆的行驶路况和运输情况，对副车架的静力分析主要考虑以下几种情况：

1)弯曲工况。模拟车辆满载时在平路上行驶或静止的状态。车辆满载时副车架承受全部静载荷，通过弯曲工况分析可以得到副车架的应力分布情况[9]。车辆总质量为整备质量、额定载质量和乘员座椅质量之和，根据厂家提供的参数，该车总质量为25 000 kg(整备质量为12 450 kg，额定载质量为12 420 kg，额定驾乘人员2人)。考虑到日常超载情况的发生，在满载基础上将模拟载荷增加25%。将满载质量以均布载荷的形式作用在两纵梁上。

2)扭转工况。模拟自卸车满载时在崎岖不平的路面上行驶，即车辆一个或多个轮子在不同平面，车辆发生扭转变形的状态[10]。结合具体行驶路况，保持满载载荷不变，使车辆左前轮下陷位移10 mm，其他车轮保持同一平面来实现扭转工况。

3)卸载工况。卸载是在弯曲工况的基础上，油缸将车厢慢慢顶起，货物脱离货厢的渐变过程[11]。在卸载过程中，油缸处于举升初始状态时，各铰支点静摩擦力矩最大，所以需要举升力也最大，对副车架产生的反力也最大[12]。此时，将4个车轮全部约束，通过静力平衡方程分别求出油缸支座和后翻转轴支座的作用力，并将该力对应施加到油缸及后翻转轴处。

2计算结果及数据分析

自卸车副车架所用Q345b型钢材料属于塑性材料，用第四强度理论进行强度校核[11]，在ABAQUS中选用Mises应力判断车架强度。

约束前后轮6个方向的自由度，模拟车辆在平坦路面上的行驶或静止状态。采用ABAQUS软件进行静力分析，得到弯曲工况下副车架的应力云图与位移云图如图2、3所示。由图2、3可以得出，副车架在超载25%的弯曲工况下产生的最大等效应力为227.9 MPa，同时产生的最大位移为4.195 mm。最大应力和位移主要集中在车架前中部的管梁附近。

图2　弯曲工况应力云图　　　　　　　　　　　　　　　　图3　弯曲工况位移云图

对左前轮y方向设置-10 mm的位移边界条件，约束其他车轮6个方向的自由度，得到副车架扭转工况的应力云图与位移云图，如图4、5所示。由图4、5可以看出，扭转工况下产生的最大等效应力为270.1 MPa，最大位移为10.950 mm。较大应力仍处于副车架前中部管梁处，副车架左前方有较大的变形。

图4　扭转工况应力云图　　　　　　　　　　　　　　　图5　扭转工况位移云图

分别约束前、后轮6个方向的自由度，模拟车辆处于平坦路面，同时将力施加在油缸及后翻转轴处，得到副车架卸载工况的应力云图与位移云图，如图6、7所示。由图6、7可以看出卸载工况副车架产生的最大等效应力为228.1 MPa，最大位移为5.51 mm，最大位移主要集中在管梁上。

通过对自卸车副车架在弯曲、扭转、卸载3种工况下的模拟可知，副车架在超出额定载质量25%的载荷作用下，产生的应力没有超出材料的屈服极限，且安全系数都大于1.2，所以满足车辆设计运行安全要求。

图8　part路径图

为了观察纵梁在3种工况下不同位置应力和位移的变化，从纵梁前部开始每隔0.02 m设置1个参考点，设置part路径如图8所示，并对路径上有横梁加强的区域进行特殊标记。3种工况下副车架的等效应力、位移随路径的变化曲线如图9、10所示。由图9、10可知：在part路径上，3种工况下产生的等效应力比较接近，且没有较小应力情况出现，说明该副车架在结构设计时材料利用比较合理，但是卸载工况产生的等效应力和位移最大，原因是卸载工况时外载荷直接作用在管梁的油缸支座上和后翻转轴上，容易形成应力相对集中，因此在纵梁上产生了较大的应力和位移。

图9　3种工况下副车架等效应力随路径的变化曲线　　　　图10　3种工况下副车架位移随路径的变化曲线

就某一工况的曲线分析，副车架前方到管梁之间的应力和位移比较大，如果在载质量远超出额定载质量或车辆长时间运行发生疲劳破坏时，该处最容易发生断裂，从而产生安全事故，因此应结合实例，可以在此处增加横梁或安装X型加强板以增加副车架的使用寿命。

3结论

1)建立自卸车副车架的有限元模型，利用ABAQUS软件对其进行3种工况下的静力分析，结果表明，该自卸车在3种工况下产生的应力没有超出材料的屈服极限，满足车辆设计运行安全要求。

2)3种工况下，副车架受力比较接近，但副车架前中部管梁处应力和位移都比较大，容易产生疲劳破坏，在后期优化改进中应考虑增加该处强度。

参考文献：

[1]韩璐，林丽华，司景萍，等.对矿用重型自卸车副车架断裂的静态分析[J].拖拉机与农用运输车，2009，36(5)：25-27.

[2]李少东，左祎文，韩术亭.基于有限元法的自卸车副车架轻量化设计[J].专用汽车，2009(z1)：60-62.

[3]白笃，武海智，蔡洪彬.基于有限元的自卸汽车副车架研究[J].重型汽车，2010(1)：13-14.

[4]林吉靓，张志功.基于ANSYS的自卸车副车架有限元分析及结构改进[J].机械制造，2012，50(4)：22-24.

[5]金嘉琦， 陈新文， 张镭.基于ADVISOR的后驱式EMCVT汽车建模与仿真[J].沈阳工业大学学报(自然科学版)， 2012， 34(6)： 660-665.

[6]刘丰怀，王太茂，穆琳.加强型等径焊接三通应力有限元分析[J].山东交通学院学报，2015，23(2)：78-81.

[7]杜文学，俞德津.基于有限元理论的重型半挂车架模态分析[J].专用汽车，2007(8): 33-36.

[8]刘晓娟.ZJZ3250自卸车副车架的有限元分析[D].包头：内蒙古科技大学，2013.

[9]林吉靓，朱峰.YJ3128型自卸车副车架有限元分析及优化设计[J].煤矿机械，2011，32(8)：29-31.

[10]万方军，司景萍，韩璐，等.自卸车卸载工况下副车架的受力分析[J].机械设计与制造，2010(6)：136-138.

[11]李延斌，姜彤，谷建国，等.XG958轮式装载机车架等强度优化设计[J].沈阳工业大学学报(自然科学版)，2013，35(6)：657-661.

[12]万方军.重型汽车副车架结构有限元分析与轻量化研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2010.

(责任编辑：杨秀红)

Strength Analysis of Sub-Frame of Heavy-Duty Dump Truck by ABAQUS

WANGXuzhou1，YANGLu1*，LIQingjiang2，WEIBenxue3

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China;

2.Dean′sOffice，HezeUniversity，Heze274015,China; 3.CarBusinessDepartment，ShandongWuzhengCO.,Ltd.，Rizhao262306,China)

Abstract:For the situation of local fatigue crack appeared in the sub-frame of a dump truck after prolonged use, a calculation model is established to carry out static analysis to the sub-frame in different conditions by ABAQUS finite element software. In three typical working conditions, the results show that equivalent stresses generated by sub-frame are close to each other, with the maximum at 270.1 MPa in twisting condition, and the safety factor is 1.26, which meets the strength requirements. But the displacement of tube beam in the middle of the front frame is obvious with high stress concentration. Fatigue fracture may occur after prolonged use. The data of simulation analysis can provide theory and technology guidance to optimization and improvement design of heavy-duty dump truck sub-frame.

Key words:sub-frame; fatigue crack; static analysis; optimization and improvement

文章编号：1672-0032(2015)04-0013-04

中图分类号：U463.32

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.004

作者简介：王许州(1989—)，男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为机械机构设计及分析；*杨璐(1973—)，女，山东莱州人，教授，工学博士，主要研究方向为混凝土弹塑性损伤本构和ABAQUS的数值模拟.

基金项目：国家自然科学 (111021181)；辽宁省“百千万”人才基金资助项目(2011921048)

收稿日期：2015-09-16