基于翻转装置的某轻卡驾驶室结构强度分析①

丁 芳，倪晋挺，张贤栋

(安徽机电职业技术学院汽车工程系，安徽芜湖241002)

0 引 言

轻型卡车的车架和底盘一般采用都是比较成熟的结构形式，而其驾驶室多是根据具体情况进行设计，因此轻卡驾驶室产生裂缝是常见问题［1～3］.经路测数据分析表明，引起驾驶室地板横梁等部件开裂的原因，主要是单扭杆翻转装置对车身前支撑臂附件作用较大的不对称载荷，而且这一载荷在车辆行驶状态下始终作用在车身底板各部件上，扭矩所产生的预应力和车辆行驶状态下的动应力相叠加，产生超过底板材料抗拉极限的应力，导致与前支撑臂连接的驾驶室底板局部撕裂.为此本文建立了驾驶室的有限元模型，重点分析在翻转力矩作用下驾驶室底板各主要部件的应力状态，据此说明驾驶室主要结构部件的强度问题.

1 有限元模型及模态

有限元模型是否合适直接影响分析结果.该驾驶室是由薄形板件通过焊点以及螺栓连接而成，薄形板件厚度不同，而且板件形状复杂各异.在建立驾驶室有限元模型的时候，采用Shell63 单元进行模拟，能够较准确的反映驾驶室的受力情况及性能.在对驾驶室有限元模型进行网格划分时，为了保证质量和精度，尽量采用四边形单元，少用三角形单元［4～5］.

本论文中轻型卡车驾驶室有限元模型通过HyperWorks 软件建立，如图1 所示.在驾驶室有限元模型中，遵循少用三角形单元的原则，比例低于10%，整个驾驶室共有壳单元96128 个，其中焊接单元2539 个，轻卡驾驶室的使用材料以及相关参数如表1 所示.

图1 驾驶室有限元模型

图2 前地板左右加强板应力云图

表1 驾驶室使用的材料参数表

经仿真计算与实验测试，得到轻卡驾驶室的前八阶计算模态频率与实验模态频率，如表2 所示.由表2 可以看出，模态频率仿真计算结果与实际实验结果比较接近，最大误差为4.3%，最小误差为－0.3%，总体上误差都在10%以下，同时，轻卡驾驶室仿真时质量为215Kg，实测质量为220Kg，两者质量基本接近，这说明建立的模型可行，精确性较好，该模型可以用于下一步的分析与计算［6～8］.

表2 前八阶模态计算结果与实验结果对比

图3 前地板应力云图

图4 左右纵梁应力云图

2 约束与加载

在进行有限元分析时，为了得到与实际更接近的计算结果，必须正确的施加载荷与约束.本论文采用在轻卡驾驶室的前端建立扭杆来代替实际的翻转装置.轻卡驾驶室的前端约束为限制扭杆两端的三个移动自由度，轻卡驾驶室后端为自由度为零的全约束.加载采用线性递增或递减的方式，力矩大小分别为:左端力矩为3000Nm，右端力矩为500Nm，力臂长度为0.28m，方向相反.

图5 地板左右前纵梁前连接板应力云图

图6 加强纵梁应力云图

图7 驾驶室整体应力云图

3 计算结果分析

为了了解驾驶室在负载后各主要部件的受力情况，必须进行有限元分析后处理阶段，计算驾驶室主要部件的应力云图，从应力云图中可直观的看出部件所受到的应力情况，图2 ～7 为轻卡驾驶室的主要部件应力云图.为了进行对比，表3 列出了驾驶室主要部件的最大应力值.

表3 驾驶室各主要部件的最大应力值

根据有限元分析的应力云图可以看出，轻卡驾驶室的左右两侧面、前后面以及顶盖的应力都很小，应力比较大的地方主要集中在驾驶室的地板连接处.由于所加载荷是在驾驶室的纵梁上，因此纵梁部分以及与其连接的加强梁部分受到的应力较大.另外，从应力云图以及表3 可看到前地板与地板左右前纵梁前连接板两者的应力也都较大，分别为292Mpa 和213Mpa，这主要是因为这两个位置直接与纵梁相接触.

4 结 论

由于翻转装置的扭转效应，使得驾驶室的地板部件存在一个初始预应力，当汽车行驶时，还将受到由于地面不平引起的动应力，在两个应力的共同作用下，随着时间的累积，地板将出现初始裂纹，一旦当应力值超过许用值时，驾驶室结构将出现裂缝，或者更严重的断裂.本文通过建立可行的有限元模型，模拟计算分析轻卡驾驶室受力状态，找到最薄弱环节，这对于改进驾驶室部件设计，以及对调整翻转装置结构设计有重要的借鉴意义.

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