基于Ansys Workbench对某军用越野车架刚度的分析研究

王 磊

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710020）

基于Ansys Workbench对某军用越野车架刚度的分析研究

王 磊

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710020）

文章构建了带副梁槽形截面车架和矩形截面车架两种车架模型，运用有限元对两种车架进行了刚度分析，并以分析结果为依据，为整车设计中车架设计与选型给予指导性建议。

有限元；车架；扭转刚度

Abstract:This paper constructs two frame model with vice beam for the channel section and the rectangular section.Based on the finite element, the stiffness about the two frame are analyzed, and according to the resulets of analysis, the guidance will be given for the choice and design of the frame.

Keywords: finite element; frame; torsional stiffness

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-202-03

概述

在车辆行驶于不平路面时，不同结构及截面形状的车架，会对车载装备的扭转负载产生显著影响。本文依据某军用越野车底盘车架系统的设计方案，运用有限元法获得不同车架的扭转刚度，对比两种截面形式车架的扭转刚度，为车架的设计提供指导性建议。

1 车架模型建立与简化

1.1 车架的模型参数

带副车架槽形车架如图 1，在槽形车架上方通过侧连接板及2条U型螺栓加装副车架，在纵梁内侧有6mm内腹板加强，从而提高车架扭转刚度；横梁两端分别贴合于车架内腹面。矩形车架如图 2，与槽形车架相比，刚性车架中段由两根管梁代替第二拱形横梁贯穿车架，最后端加装槽形横梁。

车架所用材料为510L，密度，弹性模量E=207GPa，泊松比μ=0.3，强度极限为510MPa，屈服极限为355MPa。车架参数如表1所示：

表1 车架参数表

图1 带副车架槽形车架结构及其截面

图2 矩形车架结构及其截面

1.2 车架的简化与离散化

为便于对模型分析，将模型简化，忽略次要因素的影响，特作如下假设：

（1）车架力学模型中的纵梁和横梁在扭转前后始终保持直线状态；

（2）车架与横梁之间的连接为焊接与螺栓连接，所以车架与横梁之间，以及车架上各连接件之间，都采用绑定接触连接；

（3）略去为满足构造或使用要求而设置的次要杆件，仅保留车架的纵梁、横梁及对刚度影响明显的连接件；

（4）对于结构上的台肩、凹槽、开孔等对截面特性影响不大的特征予以忽略。

对简化后的车架纵梁及连接横梁采用板壳单元划分网格，将其中的铸件采用实体单元划分网格，从而获得离散化后的车架模型如图3，4所示。

图3 带副车架槽形车架网格图

图4 矩形车架网格图

2 车架扭转刚度的对比

2.1 车架扭转刚度理论

车架扭转分析示意图如图5，F作用在车架前悬架支撑处以形成力偶，h为力偶作用下车架加载点的绕度，L 为作用力加载点与悬架限制点之间的距离，θ为扭转载荷作用下形成的扭转角。

图5 车架扭转分析示意图

常用计算车架扭转刚度的方法是不考虑车架轴距L计算的车架扭转刚度Cp，并将前悬架支撑处的扭转刚度作为车架的扭转刚度。

式中Cp为扭转刚度，Nm/º；θ为扭转角度；h为绕度，m；T为扭矩，Nm；F为载荷，N；b为力臂，m。

2.2 扭转工况边界条件的设置

计算扭转刚度，右前悬架位置限制Z方向和X方向的平移，限制绕Y和绕Z轴的旋转；左后悬架位置限制Y方向和Z方向的平移，限制绕Y和绕Z轴的旋转；在左前悬架位置延Z轴分别施加垂直向下的力F=20000N和F=10000N。

2.3 扭转刚度的计算

图5 带副车架槽形车架2T和1T载荷变形云图

带副车架槽形车架在 20000N作用力下加载点变形量为13.015mm，力臂b=770mm，带入式(1)得到柔性车架扭转刚度为 1.590×104；10000N下变形量为 6.344mm，扭转刚度为1.631×104。车架的变形量与载荷可视为线性关系，刚度采用均值1.611×104。

图6 矩形车架2T和1T载荷变形云图

刚性车架在20000N作用力下加载点变形量为5.267mm，带入式(1)得到刚性车架扭转刚度为3.929×104；10000N下变形量为2.651mm，扭转刚度为3.903×104。车架变形量与载荷为线性关系，刚度采用3.916×104。矩形车架扭转刚度是槽形车架的2.43倍，抗扭性能明显提高。矩形断面纵梁车架与传统槽形断面纵梁车架相比，具有更大的抗扭刚度。

3 结论

在通过不平路面时，相对带副车架的槽形车架，采用矩形车架整车性能在以下几个方面得到显著改善：

1）能提高车架扭转刚度，明显降低车载装备或系统承受的扭转负载和扭转变形量，降低对车载装备或承载系统抗扭转能力的要求；

2）能降低整车的重心高度，改善整车的侧倾稳定性；3）改善整车性能的同时降低整车自重。

[1] 马迅,盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化[J].客车技术与研究，2004(4) :8-11.

[2] 阮君,张代胜,王海朔.基于有限元的某轻卡车架刚度分析[J].汽车科技,2012(2) :23-26.

[3] 高翔,赵清江,李阳,万鑫铭,某微型客车车架模态及刚度的有限元分析[J]. 机械工程与自动化.2013(6) :1-5.

A Study and Analysis for Stiffness of the Military off-road Vehicle Frame Based on Ansys Workbench

Wang Lei
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710020 )

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-202-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.070

王磊，就职于陕西重型汽车有限公司，汽车工程研究院，军品研究所。