一种重型牵引车车架有限元分析

殷寒寒，邵刚

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一种重型牵引车车架有限元分析

殷寒寒，邵刚

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

车架是整车的关键部分，对其结构进行分析与研究有着重要的意义。基于有限元分析软件Hyper Works建立车架有限元模型。再对车架在弯曲、扭转工况下施加相应的边界条件和载荷进行静态分析，通过分析结果找出车架中应力较大的部位来校验其强度是否符合要求，并对车架的模态进行分析，提取出其非零模态频率和振型，并对车架的动态性能进行评价。

有限元分析；车架；模态分析

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-48-03

引言

车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的车内外的各种载荷最终都传递给车架撒上，车架应具备合理的振动特性，以避免因其产生共振对整车的舒适性和使用寿命而造成的负面影响。因而，车架的强度和刚度计算及其结构模态分析在汽车总体设计中显得尤为重要。通过有限元的方法对车架结构进行性能分析，在设计时考虑车架结构的优化，对提高整车的性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义，CAE分析的价值在于可以在产品开发初期通过建立基本的计算机分析模拟，对所设计的产品进行强度、寿命的分析，运动学与动力学仿真等，以得到所设计产品的性能，从而指导产品设计，缩短设计周期。因此，深入地研究其动力特性，合理地进行结构动态修改，是设计中的一个重要环节。

本文应用Hyper Works对某重型牵引车车架进行了有限元分析整体受力情况和出现最大的应力及位移情况，计算校核车架系统各项参数是否满足现有性能需要，以便进行整车系统优化，为进一步研究动力特性问题分析打下基础，同时也为该类型车架的进一步结构优化提供依据。

1、车架结构分析

研究对象是边梁式车架，车架前端安装有前接梁，第一横梁安装在其上，其余主要由一根发动机后悬置梁、两根外纵梁、左右各两加强板和七根横梁等组成。纵梁断面形状为槽型，横梁与横梁连接板之间铆钉连接，横梁与纵梁之间均采用螺栓连接，构件截面为槽型组合截面。整车车架结构简图如图1所示：

2、有限元模型的建立

2.1 材料数据化

首先要将车架三维模型中的各个零部件进行数据化转化，将.pat格式转化为.igs格式导出，相同材料，相同厚度的零部件可以一次性导出。

因车架的各零部件基本为冲压结构，比较简单，运用BatchMesher进行自动网格划分，抽取中面，并对二维网格进行优化处理，针对前接梁、板簧支架铸件结构采用3D网格划分，并进行网格优化，合理的选择网格的大小，提高网格的质量和网格划分的速度。

对于螺栓连接和铆钉连接，不考虑其变形应力的情况下，采用刚性单元RBE2+BEAM来模拟，对于钢板弹簧，采用BUSH梁单元来模拟，如图2所示。

2.2 定义材料属性

在整个模型中参数包括：前板簧刚度为K1=269 N/mm，后板簧刚度为K2=3050N/mm，驾驶室重量为1.3t，发动机变速箱重量为1.33t，满载总重量55t。所给材料QStE650TM钢，弹性模量E=2.1*105GPa，泊松比=0.3，密度=7.8*10-9Kg/ mm3，屈服极限为650MPa，抗拉极限为700-800 MPa。

3、车架的应力计算分析

在汽车行驶过程中，主要包括弯曲、扭转、急刹制动和转弯4种工况，其中满载弯曲和满载扭转是对车架结构影响较大的两种工况，根据实际的承载情况可以确定车架的弯曲、扭转时的边界条件。

3.1 边界条件及载荷的施加

根据开发要求该车满载49T，后桥轴荷19.5T，根据半挂车承载特点，鞍座处承受水平向右的牵引力及垂直向下作用力，车辆在行驶中承载部分载荷，根据挂车结构作用于鞍座垂直力为F1=180000N，再根据轮胎在地面上滚动的摩擦系数为0.1～0.15，并适当考虑加速或爬坡，将滚动摩擦系数取为0.15,水平牵引力F2=0.15*55T*10=825000N,于是有限元分析边界条件输入。

载荷的分布按照部件的安装位置和其质量的大小进行处理；驾驶室和发动机分别采用四点支撑分别集中在车架纵梁的腹面上，其他零部件按位置要求施加载荷。

载荷分布情况如下表3-1：

表3-1 车架上承载重量

约束和加载后的模型如图3所示：

3.2 弯曲工况

（1）弯曲工况：水平弯曲工况下，车架承受的载荷主要是由车身、动力总成、随机附件、货物等的重量。该工况模拟载货车在平坦路面上以匀速行驶时产生的对称垂直载荷。它是载货车在公路上行驶的主要工况，能代表车架的一般运行情况。在有限元模型中，约束轮胎位置的所有自由度。 弯曲工况下计算结构如图4所示：

弯曲工况下整车最大应力为459MPa，主要集中在平衡轴安装处，车架前端铸件与纵梁、横梁处应力较大为354MPa，驾驶室后支撑处最大应力168MPa，均未超过车架材料的屈服极限，也与实际情况基本一致。

3.2 扭转工况

弯扭联合工况是汽车在崎岖不平的道路上行驶，对于满载工况，后轮悬空比前轮悬空情况更严重，故分析时前轮固定，左后轮约束释放，并加上一个向上100mm的强制位移，相当于整车单轮悬空受力，来模拟扭转工况下的应力分布，计算结果如下图6所示：

扭转工况下整车最大应力594MPa,主要集中在第五横梁及车架前端发动机安装位置，已经逼近材料的最大极限，发动机悬置处需要加强，第五横梁安装平衡轴连接处需要进一步加强结构，增加垫板或改变结构。

4、模态分析

采用有限元法对车架总成进行自由模态分析，计算出车架的固有频率和相应的振型。在计算车架的自由模态时，频率范围从0Hz到70Hz，模态阶数为14。由于前六阶次属于刚体位移，变化很小，频率和振型不具有参考价值，其余模态的固有频率和振型如下表4-1所示，其一阶扭转图8和一阶横弯图9，因图幅过多，其余阶次的模态型图不再给出。

表4-1的模态分析结果可以知道，前6个模态的频率值很小，即刚体模态，由路面不平引起的激励频率为1～20Hz的垂直振动，而该车架的一阶垂向弯曲模态频率为27.2Hz，在垂直方向避开了这个范围，避免由路面引起的较大幅度的车架共振现象产生；前、后悬架偏频一般为2-4.5Hz，而该车架的一阶扭转模态频率为8.29Hz，表明该车架结构能够避开悬架系统的固有频率；车身部分固有频率一般为12-15Hz，而该车架的一阶扭转（频率为8.29Hz）和一阶横向弯曲（频率为17.0 Hz）模态正好避开了该频段，不会引起车身较大幅度的振动；该车发动机怠速时外激干扰频率23.5～25.2Hz，一阶垂向弯曲固有频率为27.2Hz，能避开这个范围。 由表1可以看出，车架模态频率变化平缓，没有突变现象。

表4-1 车架模态结果

5、结论

（1）利用有限元分析车架的应力分布，能够充分了解车架设计缺陷，以便进一步优化结构；

（2）对牵引车车架的静力分析，车架整体满足设计要求，但在考虑车辆重载或超载扭转的情况下，应力和变形较大，车架的最大应力已经接近材料的许用应力，车架部分区域的结构需要进一步优化，以防止车架出现变形或断裂情况。

[1]陈家瑞，汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]刘晓凯. SX6122BL 车架模态试验分析[J]. 重型汽车,1998( 6) : 10-11.

[3]蒋孝煜．有限元基础[M]．北京：清华大学出版社，1992：267——269．

[4]尹辉俊，韦志林，沈光烈．货车车架的有限元分析[J]．机械设计，2005，(11)：26—27．

Finite Element Analysis of a Heavy Truck Trailer Frame

Yin Hanhan, Shao Gang
(Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd., Anhui Heifei 230601)

Frame is a key part of the vehicle，it has the important meanings for analyzing and researching the structure.the finite element model of the frame was created based on Hyper Works，and then applied the corresponding boundary conditions and loads for static analysis under the operating conditions of the bending and twisting．And then identified the part suffered a relatively bigger stress in the frame by analyzing the result to verify whether it meets the requirements of its strength．And .Using of the model of the frame to carry out modal analysis，extracts of its top non--Zero--order mode frequency and vibration mode and evaluates the dynamic performance of the frame．

finite element analysis；frame；modal analysis

U463.8

A

1671-7988(2015)04-48-03

殷寒寒，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。