某牵引车车架轻量化有限元分析

王莹莹　肖宇　唐斯晓　王圣勇

摘 要：以该车轻量化设计车架为研究对象，根据某牵引车在不同工况下的受力情况添加相应的载荷并进行受力分析，最后对车架的应力情况进行校核。校核结果充分肯定了该轻量化方案，为后期道路试验提供了参考，也为之后车辆的轻量化优化设计提供的了方向。

关键词：ANSYS 车架 轻量化 有限元分析

1 前言

当前，经历了新冠肺炎疫情后，我国国民经济恢复良好，在治超趋严、老旧车淘汰、基建投资增速回升以及国VI升级等因素的影响下，我国牵引车市场发展稳定，伴随着全球气候变暖等形势要求，环保问题和节能要求日益严苛。资料表明，车重减轻10%，燃油消耗可降低6%-8%[1]。而车架是牵引车最为重要和核心的部件之一、是牵引车重量的承载，驾驶室、发动机、变速箱、有限、尿素箱等众多了关键零部件均安装在车架上，而在行驶过程中车架还要承受转弯工况、制动工况、极限扭转工况等产生的应力，因此车架的设计关系到整个牵引车的性能[2-3]。在燃油消耗和性能的同时要求下，车架的轻量化和性能要求必须同时进行。

本文以某重型牵引车为研究对象，对该牵引车车架进行轻量化研究，在满足整车对车架的性能要求的前提下，对该牵引车车架进行轻量化设计。

2 现状说明

目前该牵引车车架重1610Kg，经过市场调研及售后反馈，客户对于燃油消耗的需求较大，该车型车架仍有较大空间进行轻量化设计。通过使用CATIA对该牵引车车架进行实体建模，如图1所示。

3 车架轻量化方案

该牵引车车架轻量化内容主要是更改结构件结构，更改结构件如下：鞍座连接板、悬置加强板、鞍座垫板、尾横梁等结构。具体该车架轻量化成果如表1。

4 轻量化车架有限元分析

（1）轻量化车架有限元分析模型建立

运用CATIA建立三维实体模型，运用Hyper-mesh进行有限元单元划分，最后运用ANSYS进行模型分析。其中，固定端支架-前悬架、板簧后支架、发动机悬置支架、鞍座铸件、驾驶室后悬置支架、铸件横梁等零部件采用四面体单元，纵梁、横梁、防撞梁、油箱支架、电瓶支架、空滤器支架、连接板、板簧等零部件采用壳单元，另外，前桥、后桥、推力杆及轮胎简化成一维单元，铆钉、螺栓连接采用rb2+beam单元模拟。驾驶室质量、动力总成质量、油箱质量、电瓶质量、传动轴质量、鞍载质量、空滤器质量、方向机质量、消音器质量及简化部件的配重以集中质量点表示，并依据其刚度通过rb3或rb2连接于车架，具体轻量化车架有限元模型见图5。

（2）工况及载荷施加

建立垂向、转弯、制动、扭转一共5个工况，如表2所示，鞍座加载荷Z向-166000N，X向添加约束-850000N制动力。具体工况架构如表2所示，施加鞍载质量如表3所示，其中垂向冲击时，牵引力40500N;扭转工况1中未添加鞍载质量，鞍座上施加Z向-166000N（制动时挂车施加载荷），X向非约束施加-X向850000N的制动力。

（3）计算过程

在确认各部件的基本属性和连接关系无误后，通过对轮胎上輸出的支反力计算出前后轴荷。通过对比发现，该有限元模型输出的轴荷与实际车辆车辆得出的轴荷基本相同，证明该牵引车有限元模型基本正确。最后通过Optistruct算法得出各工况结果。

5 计算结果分析

（1）计算结果

文中使用Optistruct进行求解，将应力值较大部位及重点关注零部件的仿真结果汇总如下表4所示。

（2）结论分析

如图6所示，轻量化鞍座垫板应力集中处最大为312MPa，应力集中点位于螺栓连接附近，开裂风险较小。

如图7所示，轻量化鞍座连接板应力集中处最大为85MPa，应力集中点仍然位于螺栓连接附近，开裂风险较小。

如图8所示，轻量化纵梁车架受力均匀，纵梁应力集中处最大为245MPa，应力集中点仅有一个，且位于螺栓孔位处，从应力图来看轻量化车架纵梁应力分布良好。

6 结论

采用Hypermesh和ANSYS联合仿真分析的方式，对轻量化牵引车车架进行了强度校核。在CATIA中进行该牵引车车架的三维建模，在Hypermesh中进行网格划分等前期处理工作，在建立垂向、转弯、制动、扭转一共5个工况下进行分析，得出的分析结果基本满足该牵引车车架的应力强度要求，充分肯定了该牵引车车架的轻量化方案，为后期道路试验提供了参考，也为之后车辆的轻量化优化设计提供的了方向。

参考文献：

[1]陈元华，杨沿平.轻合金在汽车轻量化中 的应用[J].桂林航空高等工业专科学校学报，2008（1）：20-22.

[2]邓祖平，王良模，彭曙兮，等.基于HyperWorks的某轻型卡车车架有限元分析及结构改进[J].机械设计与制造，2012（5）：84-86.DENG Z P，WANG L M，PENG S X，et al. Finite element analysisand structure improvement on a light-duty truck frame based on hy-perworks[ J]. Machinery Design & Manufacture ，2012（5）：84- 86.

[3]黄黎，段智方，庞建中.重型半挂牵引车车架结构的有限元分析[C]//第三届中国CAE工程分析技术年会论文集，2007.