基于有限元仿真技术的车辆侧翻台结构力学仿真与优化设计

方金顺

关键词：侧翻台 有限元分析 优化设计

车辆侧翻试验是各大汽车厂商开发新的机动车产品的必检项目.该试验项目已纳入国家标准GB/T7258.2017《机动车运行安全技术条件》以及GB/T14172.2021《汽车、挂车及汽车列车静侧倾稳定性台架试验方法》中，相关标准定义了车辆侧翻试验台是该检验项目的主要试验设备。由于在试验过程中对于侧翻台的翻转动作有极高的精度要求，因此侧翻台的主体结构必须具有足够的刚度和强度，以保证有承受相应工况载荷的能力。由于侧翻台的主体结构设计思路尚未形成典型的设计标准.通过传统的机械结构设计方法进行反复的尝试试错必定造成时间以及资源上的浪费。

随着计算机技术的进一步发展，有限元仿真技术得到广泛的推广应用.该技术可快速有效地计算机械结构在各种载荷工况下的响应.进而为结构设计提供数值化的理论支撑。并实现缩短产品的研发周期、降低研发成本和提升产品质量的目的。

有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合，这些单元仅在有限个节点上相连接.即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体，再将单元组装成结构。通过定义相应的载荷工况而建立位移和内力的关系，通过变分方法.使得误差函数达到最小值并产生稳定解。有限元法具有计算速度快、精度高、工程适用性强等优点。是目前广泛应用的工程分析手段。

1有限元模型的搭建

以某公司设计的车辆侧翻台初步方案为研究对象，利用Carla软件建立该方案的三维数字化模型，模型中包括侧翻台基座、侧翻平台以及铰链和油缸系统。数模状态如图1所示。在Catia软件中导出stp格式文件.导入hypermesh中

通过对三维数模的尺寸分析，综合考虑计算效率以及计算精度，确定网格的基本尺寸为20mm，通过对零部件先后进行抽中面处理并采用壳单元网格划分;铰链采用Beam单元搭配刚性连接来模拟;由于基座采用钢筋混凝土浇筑，同时其设计强刚度也将具有非常高的安全余量，因此基座将简化处理。网格划分完成后.整个侧翻台被划分为694708个网格，508190个节点。完成后，有限元网格模型如图2所示。

有限元模型的搭建一般可遵循以下原则：

a.在保证计算精度满足计算目的的前提下，尽可能地控制网格数量;

b.合理选择网格类型可减少积分点数量.从而加快模型的计算速度：

c.对于焊点焊缝的建模。由于模型中采用大量的焊接装配，所以对于焊点焊缝的准确建模对模型的计算准确性有直接影响。通常情况下，对于静强刚度分析，焊点焊缝的建模手段有合并节点和刚性连接节点。

初步方案中各个零部件的选材以及相应的材料力学性能如表1所示。

2工况定义

通过分析侧翻试验台在试验过程中可能承受的极端载荷，定义以下载荷工况：

工况一：在重力场环境中，约束侧翻台与混凝土基础的安装点1～6自由度.在车轮与平台接触位置加载相应重量.图3展示55 t6轴半挂列车静止条件下各个轮胎的承重信息。

工况二：在重力场环境中，约束侧翻台与混凝土基础的安装点1～6自由度.在车轮与侧翻台接触位置加载相应重量，如图4所示。

3初始设计方案计算结果

3.1平板状态下的计算结果

平板状态下的变形云图以及应力云图如图5一图6所示。

计算结果显示，55t重车的右后轮下降3.9mm，左后轮下降将近3.1mm。通过计算得出侧翻板的倾斜角度为0.02°满足侧翻角度精度小于0.1°的设计要求。后轴支撑油缸上托板的支撑位置最大应力达到27 1MPa.超过材料的许用应力。建议优化油缸上托板与侧翻台的连接形式。

3.2斜板状态下的计算结果

侧翻临界状态即斜板状态下的变形云图以及应力云图如图7一图8所示。

计算结果显示，55t车的左后轮下降3.7mm，该时刻的极端情况是右后轮离地。通过计算得出侧翻板的倾斜角度为0.11°，不满足侧翻角度精度小于0.1°的刚度设计要求。后轴旋转支座附近应力较大，最大应力达到267 MPa，超过材料的许用应力。建议优化旋转支座支撑位置的强度。

初始设计方案在两种状态下的计算结果汇总如表2所示。

4初始方案的优化设计及计算结果

4.1对侧翻板的框架型材的调整方案

根据以上的分析结果可以判断初始设计方案中侧翻板的整体刚度和局部强度都需要进一步提升。对于整体刚度不足的问题，本文尝试对侧翻板的框架型材进行调整，具体调整方案如图9所示。

A/B/C矩形梁的截面高度、宽度、厚度尺寸分别由原来的250mmX150mm×8mm调整为300mm×150mm×9.75mm。调整的主要原因如下：

a.A梁位于液压油缸的支撑位置。侧翻动作需要支撑梁有较大的强刚度;

b.B梁的位置在侧翻板翻转至极限状态.有可能需要独立承受整车单轴的重量，因此建议加强;

c.C梁作为侧翻板的首尾边梁，需要承受测试车辆进入以及离开侧翻板的冲击载荷，因此需要进一步加强。

4.2优化后的就算结果

优化模型再次经过平板和斜板两个状态的力学性能仿真分析，得到以下结论：

a.平板状态下的变形云图和应力云图如图10～图11所示。

计算结果显示，55 t车的右后轮将下降3.2mm，左后轮下降将近2.1mm。通过计算得出侧翻板的倾斜角度为0.02°.满足侧翻角度精度小于0.1°的设计要求。侧翻板的平衡调整器支撑位置最大应力达到191MPa，低于材料的许用应力。

b.侧翻临界状态即斜板状态下的变形云图以及应力云图如图12～图13所示。

计算结果显示，55t车的右后轮將下降2.85mm。通过计算得出侧翻板的倾斜角度为0.08°，满足侧翻角度精度小于0.1°的设计要求。侧翻板支撑梁的最大应力达到176MPa，小于材料的许用应力，满足强度要求。

优化方案在两种工况下的力学性能总结如表3所示。

5结语

通过对车辆侧翻台初始方案的主体结构进行有限元力学性能分析，找到初始方案的设计薄弱点和不足之处，提出改进措施生成优化方案。优化方案的有限元计算结果显示其强度和刚度均满足设计要求。

文中采用有限元仿真技术对侧翻台的设计方案进行仿真验证，提供了一种虚拟的设计开发手段。可以预见，今后的机械、汽车结构设计过程中，全面运用有限元仿真手段快速评估力学性能将成为一种发展趋势。