基于ANSYS Work bench的KD3900自卸货车车架有限元分析

陈阳

（1.常州工学院机械与车辆学院，江苏常州213002；2.江苏省数字化电化学加工重点实验室，江苏常州213002）

基于ANSYS Work bench的KD3900自卸货车车架有限元分析

陈阳1，2

（1.常州工学院机械与车辆学院，江苏常州213002；2.江苏省数字化电化学加工重点实验室，江苏常州213002）

自卸货车由于载重量大、卸货方便等特点，被广泛应用于运输行业中。以K D3900自卸货车车架为研究对象，利用ANSYS Workb e n c h平台对车架承受最大载荷情况时进行了力学分析，得到了车架的M I SE和变形分布，并计算了K D3900自卸货车车架五阶固有频率和振型，其结果可为K D3900自卸货车车架设计提供一定的理论依据。

自卸货车；有限元；车架

车架是汽车上重要的承载部件，车架承受车辆所传递的各种载荷，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。由于重型汽车行使路况差、随机振动大等原因，车架使用过程中必须有足够的强度和刚度来承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击，因而对车架的设计和使用提出了更高的要求。多年来国内外学者对重型汽车车架的力学性能进行了大量的研究，取得了很多重要成果。陈娜娜以某矿用电动轮自卸车车架为研究对象，基于车架实体几何模型，给出了车架结构的精细化有限元模型，设计了两种车架焊缝结构有限元建模方案，在正常匀速行驶边界条件下，分别对各方案模型进行数值计算分析[1]。宋年秀等人采用有限元分析软件MSCNas tran，对重型载货车车架的不同状态（光车架、装前悬、装前后悬）进行了静弯强度和刚度分析，得出了其应力分布图，并与测试值进行了比较，得出了车架结构的合理性，分析了车架的前18阶模态特性，得出了其固有频率和振型[2]。朱立鹏在CATIA中建立K36重型自卸汽车车架几何模型，并运用Hyper Mesh软件转化为有限元模型，同时提出了多层板结构的建模及连接关系处理方法，利用ANSYS对满载时弯曲和扭转工况进行了静力学分析和模态分析[3]。王录山等人通过建立车架系统的有限元模型，计算分析了该车架在7种载荷工况时的应力分布及其固有模态，发现该车架纵梁应力较小，具有进行轻量化改进的潜力且具有较好的模态特性[4]。任杰锶等人以越野车车架为研究对象，采用ANSYS软件建立了与某越野车车架结构充分近似的车架三维模型，并根据模态分析理论对其进行了有限元模态分析，获得了该车架的前六阶模态参数，理论值与实验值比较表明车架能够在一定程度上避免共振现象[5]。由于重型汽车车架使用工况复杂，载荷大，其车架力学性能分析对于提高车架设计具有着重要的意义。基于此本文以KD3900自卸货车车架为研究对象，建立车架有限元模型，通过力学分析研究车架强度和刚度情况，并开展模态分析，其结果可为车架设计者提供有力的理论依据和参考。

1 KD3900自卸货车车架有限元建模

1.1 ANSYS Work bench概述

ANSYS Workbench是通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真。

1.2 KD3900自卸货车车架有限元模型

通过在PRO/E下建立KD3900自卸货车车架几何模型导入到ANSYS Workbench有限元平台，选取三角形单元自由划分网格，划分后的网格如图1所示。

图1 KD3900自卸货车车架有限元模型

KD3900自卸货车车架各个横梁和纵梁是由65Mn弹簧钢组成，其弹性模量E为2.10×105MPa，泊松比为0.3，密度ρ为7.85×10-6MPa，屈服极限为340 MPa.

1.3 载荷计算

车架载荷主要包括:联接到车架的部件如车身、发动机、油箱、电瓶等对车架的支反力，采用集中力的形式加到相应的支架上，货箱质量及汽车的载重量，以均布力的方式作用于车架，具体载荷为：经过简化计算后，车架前端部分承受驾驶室载荷为9 600 N，车架后端承受载荷为900 000 N.

1.4 边界处理

KD3900自卸货车车架边界处理如图2所示，根据实际工况约束与车架接触面的自由度，按照车架前后端计算载荷进行加载处理。

图2 KD3900自卸货车车架边界处理

2 KD3900自卸货车车架有限元分析结果

2.1 KD3900自卸货车车架M IS E分布

图3是车架在90 t载重作用下经过有限元计算的MISE分布，从图中可以看出MISE分布不均匀，最大MISE出现在KD3900自卸货车车厢与车架接触部位，其最大值为165.084 MPa，MISE最大值没有超过车架材料的屈服极限，也说明车架设计是合理，在强度上是足够的。

图3 KD3900自卸货车车架MIS E分布

2.2 KD3900自卸货车车架变形分布

图4是车架在90 t载重作用下经过有限元计算的变形分布，从图中可以看出变形分布不均匀，变形沿着接触位置依次减小，最大变形出现在KD3900自卸货车车厢与车架接触部位，其最大值为0.532mm，结果表明车架刚度也符合设计要求。

图4 KD3900自卸货车车架变形分布

2.3 KD3900自卸货车车架剪切应力分布

图5是车架在90t载重作用下经过有限元计算的剪切应力分布，从图中可以看出剪切应力分布不均匀，最大剪切应力分布仍然出现在KD3900自卸货车车厢与车架接触部位，其最大值为88.985MPa，当KD3900自卸货车在转弯时会受到侧向力的作用，此时剪切应力如果超过材料极限，将会使车架发生破坏，因而计算剪切应力对于评判车辆转弯安全具有着一定的意义。

图5 KD3900自卸货车车架剪切应力分布

3 KD3900自卸货车车架模态分析

3.1 KD3900自卸货车车架前三阶模态

KD3900自卸货车车架使用工况条件复杂，在实际中机械振动的动载荷增大，有害的振动会降低KD3900自卸货车车架寿命，如果出现共振将会导致严重的安全事故，因而研究其固有频率和振型可以有效防止共振现象发生，对KD3900自卸货车车架设计有着重要的意义。

图6是根据自由模态计算得到的KD3900自卸货车车架第一阶固有频率和振型，其固有频率为0.385 649 Hz，振型为在XOZ平面微量振动。

图6 KD3900自卸货车车架第一阶频率与振型

图7 是根据自由模态计算得到的KD3900自卸货车车架第二阶固有频率和振型，其固有频率为1.355 Hz，振型为XOY平面绕中心扭转振动。

图7 KD3900自卸货车车架第二阶频率与振型

图8 是根据自由模态计算得到的KD3900自卸货车车架第三阶固有频率和振型，其固有频率为1.831 3 Hz，振型为在Y轴方向上下振动。

图8 KD3900自卸货车车架第三阶频率与振型

3.2 KD3900自卸货车车架五阶模态

从表1可以看出KD3900自卸货车车架随着阶数增大，其振动频率也随之增大，振型变化不同。

表1 KD39000自卸货车车架五阶模态

4 结束语

（1）ANSYSWorkbench有限元平台为分析KD 3900自卸货车车架性能提供了有利的工具，分析结果贴近实际；

（2）本文分析结果所得到的KD3900自卸货车车架强度和刚度可为车架结构设计提供可靠地理论依据；

（3）KD3900自卸货车车架模态频率和振型结果可为车架动态设计提供参考。

[1]陈娜娜.大型矿用自卸车车架结构有限元建模研究[J].科学技术与工程，2015，15（1）：309-314.

[2]宋年秀，刘祥斌，王雅莉，等.基于MSC.Nastran的重型载货车车架有限元强度分析和模态分析[J].汽车实用技术，2013，3（3）：57-62.

[3]朱立鹏.重型自卸车K36车架有限元分析及改进设计[J].机械设计，2011，28（2）:73-76.

[4]王录山，王国权，张红松，等.重载自卸车车架强度的有限元分析[J].北京信息科技大学学报，2010，25（2）：58-61.

[5]任杰锶，董小瑞.基于ANSYSWORKBENCH的某越野车车架有限元分析[J].中北大学学报（自然科学版），2015，36（4）：428-433.Finite Element Analysis of KD3900 Dump Truck Frame Based on ANSYS Workbench

CHEN Yang1，2
（1.Departmentof Mechanics and Vehicle，Changzhou Institute of Technology，Changzhou Jiangsu 213002，China；2.Key Laboratory of Jiangsu Province Mold Electrochemical Machining，Changzhou Jiangsu 213002，China）

Due to load weight and easy unloading，it is widely used for dump truck in transportation industry. The mechanical analysis for KD3900 dump truck frame is done under maximum load conditions by using ANSYS Workbench platform in this paper，the distribution of MISE and deformmation are obtained. At the same time，five natural frequencies and mode shapes of KD3900 dump truck frame are analyzed，which the results provide a theoretical basis for dump truck frame designer.

dump truck；finite element；frame

T H122

A

1672-545X（2016）09-0035-03

2016-06-19

陈阳（1981-），男，江苏常州人，本科，工程师，研究方向：现代设计技术。