基于HyperMesh的某液压减震车车架有限元分析

周 青，陈靖芯，李 红，郑再象

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

在汽车底盘中，车架承载着其他许多重要总成部件的质量，是主要的承载部件，同时，在车辆行驶过程中，车架将承受来自车内外的各种载荷的作用。因此，在车辆整体设计中，保证车架有足够的强度和刚度至关重要。与以往的汽车设计中使用样车作参考相比，使用有限元法对车架的力学性能进行分析，不仅可使设计周期缩短、研制费用降低，而且在设计的初期就能对车架的强度、刚度以及振型有充分的了解。本文利用有限元软件HyperMesh对某液压减震车车架结构进行有限元分析。

1 液压减震车设计

1.1 液压减震车的使用环境及功能

某型液压减震车主要是在机场等路面条件较好的特殊路况下使用，其主要的用途是在狭窄低矮的空间中全方位移动、运输一些大型重要的货物，同时能够平稳地将货物举升到一定的高度，并能够精确地调整物体的位置。其最主要的功能是能够实现六个方向自由度的运动，并且将以前依靠人力拖拉行走模式改成靠电池驱动的自动化控制模式，从而尽最大可能减少工作人员的数量。

1.2 液压减震车底盘的设计

由于液压减震车是在狭窄、低矮的作业环境中使用，故要求整车结构紧凑并且最小离地间隙尽可能小，其底盘结构三维模型如图1所示。因为液压减震车是以电池带动电机驱动，为了满足电池组的摆放空间，在第三横梁与第四横梁、第四横梁与第五横梁间的空间摆放电池；在第二横梁与第三横梁之间摆放液压双剪式举升平台，用于装载和举升货物。整车在设计中采用单纵臂式独立悬架系统，由于本车无转向系统，转向依靠四个Mecanum轮［1］实现全方位任意角度移动和本地旋转。

图1 液压减震车底盘结构三维模型

目前，汽车车架基本上有四种结构形式：边梁式、周边式、中梁式（或是称为脊骨式）以及综合式。在设计车架结构时，首先应满足汽车的总布置要求，使固定在车架上的各部件和总成之间不产生干涉。本液压减震车车架采用的是周边式结构，主要由前端两根纵梁、中部两根纵梁、后端两根纵梁以及若干根横梁构成，使用铆接、焊接或螺栓连接的方式将车架的纵梁和横梁连接起来，组成坚固的刚性结构。

2 车架有限元分析

2.1 车架有限元分析模型的建立

将在CATIA软件中建立的车架结构三维实体模型保存为IGS格式的文件并导入HyperMesh软件中，在HyperMesh中进行有限元分析的前处理，建立车架的有限元分析模型。有限元前处理主要包括以下几个方面：①忽略车架上的一些非承载部件和功能件，比如工艺孔、缓冲座、倒角、圆角等；②对于有些加强肋或带凸缘的部件，利用等刚度的原则进行等效处理；③车架主要承受自身载荷和有效载荷，将复杂的载荷用等效载荷替代，从而简化计算，又不影响准确性。

2.2 网格划分

液压减震车车架的纵梁和横梁是由薄壁件构成，因此对车架实体模型抽取中面进行网格划分，使用的单元类型为板壳单元，网格大小为10mm～30mm。对重要部位，比如孔、约束处、连接位置等网格划分得细密点。网格划分后车架有限元模型共有392 631个节点，148 546个PShell壳单元，160 054个PSolid实体单元，4个Spring弹簧单元，24个PBar杆单元，511个Rigid或Rigidlinks刚性单元及5个Mass质量单元。车架有限元分析模型如图2所示。

图2 车架有限元分析模型

2.3 定义材料属性

液压减震车车架设计时所用的材料为16Mn钢，其力学性能参数如下：弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 830kg/m3，最小屈服强度为345MPa，抗拉强度为510MPa～600MPa。

2.4 工况的选取

根据车辆实际行驶状态下的受力情况，对静力分析一般仅考虑弯曲工况和扭转工况［2］。各工况采用相同或者是不同的边界条件，约束刚体位移，同时对载荷引起的不平衡力进行约束。针对这两种工况，在满载弯曲工况下选取的动载荷系数为2.5［3］，在扭转工况下选取的动载荷系数为1.3。两种工况的约束情况如图3所示。图3中，圆圈为施加约束位置，数字1表示x方向的约束，2表示y方向的约束，3表示z方向的约束。

图3 满载弯曲工况和扭转工况的约束情况

3 有限元计算结果与分析

3.1 满载弯曲工况

通常车架的最大弯曲挠度f应该小于10mm［4］。由于液压减震车的特殊用途，在弯曲工况下，主要考虑货物举升前、货物举升瞬间和货物举升至最高位置时三个工作状态下的位移与应力情况。图4为车架在上述三种工作状态下的位移分布云图。由图4可以看出，车架的最大变形主要发生在第三横梁处，三种状态下的最大变形量分别是2.068mm、2.007mm 和2.217mm，远小于10mm的参照值，说明车架的抗弯曲变形能力较强。

图4 满载时车架在三种工作状态下的位移分布云图

图5、图6和图7分别为车架在上述三种情况下的应力分布云图。从这图5～图7中可以看出，三种工作状态下的车架最大应力主要出现在第三横梁与第二纵梁的连接位置，其最大值分别为279.1MPa、273.9MPa、264.9MPa，均小于车架所选材料的许用应力（该车架选取的16Mn材料的屈服强度为345MPa），其余部位的应力值大多在100MPa以下。通过这些分析可以看出，车架结构可以满足液压减震车在满载弯曲工况下的强度要求。

图5 满载举升前车架应力分布云图

图6 满载举升瞬间车架应力分布云图

图7 满载举升至最高点时车架应力分布云图

3.2 满载扭转工况

由于车辆在满载扭转工况条件下，一般都是在低速情况下在崎岖不平的路面上行驶，因此此时车辆所受的惯性载荷也是较小的，因此本文选取的满载扭转工况下的动载荷系数为1.3［5］。根据液压减震车的工作环境以及使用条件等因数，主要考虑车辆在满载条件下，举升前车架的满载扭转工况。

图8、图9分别为车架在满载扭转工况下的位移分布情况和应力分布情况。从图8可以看到车架最大位移为5.76mm。从图9中可以看到此时车架的最大应力为298.9MPa，发生的位置在第三横梁与第二纵梁连接处，其余位置的应力大多在80MPa以下。由于车架选用材料的屈服强度为345MPa，可以得到车架的安全系数为1.15，可以保证车辆在其设计要求的特殊路面上正常行驶。

图8 满载扭转工况下车架的位移分布图

图9 满载扭转工况下车架的应力分布图

4 结语

本文利用有限元软件HyperMesh对液压减震车车架的满载弯曲和扭转两种工况进行了静力学有限元分析。从计算结果可以看出，该特种车车架的大部分应力远低于车架所选用材料的屈服强度，表明该车架结构能够满足设计的要求。在车辆车架设计过程中，预先通过有限元软件对车架进行分析计算，从而获得车架的强度和刚度等特性，可以在很大程度上缩短研发周期，节省开发成本。

［1］刘洲，吴洪涛.Mecanum四轮全方位移动机构运动分析与仿真［J］.现代设计与先进制造技术，2011，40（5）：43－46.

［2］梁明智.大型货车车架有限元静态特性分析及试验研究［J］.科技创新导报，2010（34）：92.

［3］冯国胜.客车车身结构的有限元分析［J］.机械工程学报，1999，35（1）：91－95.

［4］刘维信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［5］吴湘燕.客车车身有限元强度分析载荷条件的确定［J］.机械工程学报，1997，33（5）：83－87.