农用车车架分析与优化

彭才望

（湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128）

农用车车架分析与优化

彭才望

（湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128）

车架作为车身结构的主要承载部件，不仅承担车身的内外大部分载荷，而且其性能对整车性能有较大影响。文章以某农用载货车车架为主要对象，基于有限元分析，仿真模拟车架在静态载荷情况下的受力变形情况，结果表明：改进后的结构在载荷相同作用下最大应力和最大变形量都有所降低,其结构能够更好地满足强度和刚度要求，它对提高农用载货汽车的动、静态性能,具有重要的意义。

农用车；有限元分析；优化设计

农用载货车车架作为承载基体，安装着发动机、底盘的传动系和转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。对于农用载货汽车来说，增大车架的承载能力，实现整车车架性能的提高，是载货车辆设计的首要任。文章以某农用载货汽车车架为研究对象，通过UG三维建模，基于ANSYS软件，仿真分析农用载货汽车在满载静态时的刚度和强度分布，对比车架结构中需要改进的部位，并依据分析结果提出改进方案。

1 车架三维实体模型的建立

该农用载货汽车车架，是由两根冲压成型的槽型纵梁和几根横梁通过铆接而成的梯形结构，前后等宽，宽度为750mm，总长5665mm。其中，横梁的第一根、第二根、第四根、第五栋梁、第六根和第七根横梁为冲压槽形结构，第三根横梁为帽形结构，材料相同。材料采用低合金结构钢Q345，设计原则是在满足足够强度和合理刚度的情况下,尽量简化结构，降低成本。所建立的某农用载货汽车底盘车架二维平面尺寸示意图和三维示意图如图1、图2所示。

图1 车架二维平面尺寸示意图

图2 车架三维示意图

2 车架有限元分析

（1）车架有限元分析模型。车架有限元模型建立的过程：UG模型的导入，车架各个部件网格的划分，单元质量的检查，网格的调整，最终整个车架有限元模型共创建155325节点，73346个单元格，以四边形单元为主。如图3所示。

图3 车架有限元模型

（2）车架受力分析。农用载货汽车在静止时，车架只承受悬挂以上部分的载荷，它主要由车身和车架的自身质量、车架上各总成与附属件质量以及有效载荷（货物质量）等组成，其总和被称之为静载荷。为消除车架的刚体位移，约束车架前后板簧的六个自由度。模拟仿真分析时，施加载荷进行了一定程度的补偿。根据静力等效原则，将发动机、驾驶室、驾乖人员等

保部件的质量对车架的作用向其在车架上的作用点简化为车架上集中载荷；货厢的质量与装载量之和对车架的作用按货厢与车架的实际接触面积计算简化为车架上的均布载荷。各部件的质量如表1所示。

表1 质量分析表

（3）车架静载分析。农用载货汽车在使用过程中，车架除了自身重量外，而且还要承受行使过程中各种路面工况所带来的位移冲击。比如，行驶经过凹坑不平的路面等路况，这时车架要承受弯矩力矩和扭转力矩的共同作用。因此,农用车车架必须具有足够的刚度和强度才能承受作用于其上的各种载荷冲击，如果车架的刚度和强度不足，则造成车架变形过大、产生裂纹甚至断裂失效，影响农用车的正常使用。所以，文章通过ANSYS有限元软件对车架结构进行静力学分析，通过分析车架零部件变形和应力的分布情况，找出车架的危险部位。进而通过改变车架结构的尺寸或者局部增加材料的方法，避免局部应力集中，使车架各部位受力均衡，从而提高整车的性能。静载仿真分析结果如图4、图5、图6所示。

图4 应力分析云图

图5 应变分析云图

图6 总变形分析云图

根据变形图可看出，车架所受的应力大小为60.5MPa，应变变形量为0.3mm，受力和变形值较大，车架变形区域集中在驾驶室与发动机放置区的横梁之间，此处安装发动机及传动系部件，因而两根横梁之间的间距较大，并且载荷较集中，导致车架变形较大。进而考虑将发动机往后移一点，使其它横梁能够承受相应一部分压力，通过分析，还是发现这几根横梁变形较大。因此，对该农用载货汽车车架进行优化设计。

（4）车架优化分析。通过对农用车车架仿真，考虑横梁中间有分布均匀的圆孔，从而导致车架不能承受更高强度的压力。因此，改进设计时，将车架横梁中间的圆孔去掉，同上有限元分析方法，实施合理载荷约束和边界条，对车架基本载荷进行模拟仿真分析。改进后的车架三维示意图如图7所示。静载仿真分析结果如图8、图9、图10所示。车架结构改进前后仿真分析结果对比如表2所示。

图7 改进后的车架三维图

图8 应力分析云图

图9 应力分析云图

图10 总变形分析云图

表2 改变前后对比结果分析

仿真结果显示，承受载荷的大小和施加位置不变，改进车架结构，车架所承受的压力减少为40MPa,应变变形量为0.2mm,因此本身所能承受的载荷明显大大增强。表2为车架改进前后仿真分析结构对比表明改变车架结构，也可以让车架能够承受更多载荷重量，满足农用载荷需求。

3 结语

文章以某农用载货汽车为研究对象，通过UG软件进行实体建模，利用ANSYS软件对车架进行静态仿真分析。通过选取合理的单元类型，根据车架在满载静止时的应力应变进行分析，结果表明：局部结构存在应力应变较大现象；优化设计车架局部结构，如改变车架横梁结构等，结果表明：车架的整体应力分布有了明显的改善，为结构优化提供了一定的理论依据。文章后续部分可利用建立的车架有限元模型，进行动态和模态方面的分析，以完善农用车车架结构，满足农用车使用要求。析［J］.浙江大学学报，2007，33（5）：562-567．

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［3］历辉，李万琼.货车车架的等效载荷［J］.汽车工程，1994，（5）：310-314.

［4］刘素红，李芳.一种客车车架结构的有限元分析［J］.机电工程，2010，（4）：20-23.

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［1］马广，黄东明，王志明，等.农用三轮车车架结构静动态特性仿真分

Analysis and Optim ization of Agricultural Vehicle Frame

PENG Cai-wang
（College of Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Vehicle frame is important to carry car parts，which notonly supportsall kinds of the loadswithin and outside the car，butalso hasa strong impacton vehicle performance.This paper takes the frame ofagricultural truck as research objects，based on finite elementanalysis software，simulates bearing and deforming of vehicle from under static condition.The results show that themaximum stressand displacementof the optimized frame under the same loading are decreased，its structure can bettermeet strength and stiffness，which hasagreatsignificance in improving itsvehicle dynamic and static performance.

agriculturalvehicle；finiteelementanalysis；optimization

U463.32

A

2095-980X（2016）11-0051-02

2016-10-12

湖南农业大学青年科学基金14QN05。

彭才望（1988-），男，讲师，主要研究方向：农用车辆机械轻量化。