HyperMesh重型载货汽车车架静态分析

2021-12-28 13:07王成
科技尚品 2021年11期
关键词:有限元法车架

王成

摘 要:汽车工业属于技术密集型产业,如何设计出性能优越、安全可靠的产品,一直是各个企业不断追求的目标。文章根据有限元理论,以某公司生产的工程车辆边梁式车架为研究对象,分析其静态特性,以期为后续的车架改进提供参考依据和思路。

关键词:有限元法;重型载货汽车;车架;静态分析

中图分类号:U46 文献标识码:A 文章编号:1674-1064(2021)11-086-03

DOI:10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.029

在重载汽车中,车架尤为重要,良好的车架设计能够以最小质量获得良好的强度与刚度,促进车动力性能大幅提升,同时全面改善行车的安全性、可靠性,现已成为改善重型货运车辆应用性能的一项热点课题[1]。

1 重型载货汽车车架简介

文章研究的重型载货汽车为某公司设计的水泥搅拌车,其车架在实际工况中承载着较大载荷,故选取了边梁式车架,结构如图1所示。

2 车架有限元模型建立

在HyperMesh软件中,能够比较简单轻松地控制网格质量。通过交互式进行划分,基于此,划分的网格能够利用调整参数的方式获得符合要求的尺寸及分布位置。文章在综合考虑车架尺寸等各方面因素的基础上,将网格大小取值为10 mm,对于平面网格,自动划分往往可以获得良好的划分结果。划分后的车架有限元模型如图1所示,此模型共包含234 437个节点、230 323个单元,车架材料选用WL510。

3 车架静态分析

3.1 车架基本载荷的确定

分析车架受力情况过程中,第一步需要科学合理地明确车架基本载荷,其承载主要包括:发动机730 kg,驾驶室总成890 kg,变速箱190 kg,油箱及燃油370 kg,货物12 000 kg,车架自重1 100 kg,人员180 kg,备胎140 kg等。

为了将上述载荷科学合理地分布于车架之上,应公平合理地分配载荷。在处于满载状态时,货物是车架承受的重要载荷,鉴于车架的结构特征,可将货物以均布载荷的形式进行布设[2]。在实践中,一般会发生超载现象,所以文章将满载货物载重量的1.5倍增添至车架上,将其载荷规范合理地转变为压强,均衡地落在各个网格上。而变速器等相关附属设备则直接按照集中载荷的形式进行布设,车架的自重可按照密度的大小折算至车架上,关于载荷的分布形式,如图1所示。

3.2 约束条件

在遵循下述原则的基础上,对模型增设合适的约束条件:确保约束充分,以此抵消结构出现的刚体位移;避免出现过约束的情形,否则会出现反力。

文章将为车轮施予合适的约束,即车桥部位,车桥的两端均配备了坚固的车轮,可将其看作是刚体,所以为其添加约束是合理可行的。

3.3 满载弯曲工况分析

为了客观全面地评价车架刚度及产生于车架的应力,科学合理地明确变形及应力突变部位,需要对包括纵梁断面处等在内的一系列相关特征点处的扰度及应力,展开科学合理的求解,其分析结果如图2、图3所示。

根据变形图能够清晰直观地了解到,车架最大变形为21.06 mm。其中,悬架变形尤为明显,多达13.38 mm。由此可知,车架实际变形是7.68 mm,远小于其容许值10 mm,这意味着车架设计刚度满足标准,抗变形性较强。

根据图3能够了解到,车架的最大应力为238.1 MPa,本车架采用的是韧性强、硬度高的WL510钢材材料,其屈服最大值为350 MPa,表明在满載1.5倍的状态下,车架并不符合危险工况。因此,设计满足要求,其应力多低于52.9 MPa,车架有较大的优化空间。

3.4 弯扭组合工况分析

汽车在正常行驶时,如果某车轮压到障碍物或者落至某坑洞,车轮在处于悬空状态或者被障碍物抬起时,车架势必会产生一定的扭曲[3]。在弯扭组合工况下,车架受扭力的影响,无论是强度还是变形,均会发生明显变化,这是一种相对危险的工况,其分析结果如图4所示。

根据图4可知,最大变形形成于纵梁左前部位,其变形值为25.09 mm,悬架变形14.94 mm,车架实际最大变形为10.15 mm。

根据应力分布图5可知,应力峰值为309 MPa,出现于节点号为290 768的位置,即第一横梁和车架连接的部位,其值低于屈服极限。

3.5 紧急制动工况分析

如图6所示,车架最大变形出现在前端位置,这和汽车紧急制动的工况相契合,最大变形为26.2 mm。其中,悬架变形为14.1 mm,由此可推导出车架变形为12.1 mm。

根据图7能够了解到,受紧急制动的影响,车架应力明显增大,弯曲程度也显著提升,最大应力可达401.2 MPa,集中分布于吊耳模拟连周围位置,与厂商反馈相一致。所以,应采取有效措施提高吊耳连接位置的强度。

4 结语

使用有限元法参与汽车设计,可以缩短设计周期、节约材料,在满足各种设计指标的同时,降低车架重量。可以评估多种设计方案,预测结构的刚度、强度、疲劳寿命以及可靠性等性能,从而确定最佳设计方案,这些对于改善车架设计具有重要意义。

参考文献

[1] 梁剑.车架静力试验与有限元静力分析[J].机械研究与应用,2005,22(6):72-73.

[2] 杨永鑫,冯川.重型卡车车架有限元分析及轻量化设计分析[J].机械研究与应用,2020(6):56-59.

[3] 智淑亚,许牧天,李继秋.基于ANSYS的车架有限元分析[J].金陵科技学院学报,2019(9):89-92.

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