某重型越野汽车车架的结构强度与疲劳校核

杨先锋，李冲天，姚旿冰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

引言

车架作为整车的骨架，是支承连接汽车各零部件，并承受来自车内外的各种载荷，是汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架的结构是否合理，强度、刚度是否满足复杂工况要求尤为重要。

1 有限元模型的建立

采用三维绘图软件 Pro/E建立实体模型，通过标准格式.stp输入有限元分析前处理软件Hypermesh补充完善的方法建模。车架总成中的钣金件采用抽取几何中性面，对其进行网格划分的方法来建立二维面网格，模型的单元类型包括二维四边形单元和三角形单元。锻件、铸件，先通过二维面网格单元划分，再生成三维体网格，模型的单元类型包括四面体单元，五面体单元和六面体单元。其余连接单元如螺栓、铆钉，则利用刚性单元Rbe2、Rbe3和赋以材料属性的B31单元进行模拟，它们与质量Masses等均为一维单元，建立的有限元模型见图1。

图1 有限元模型

表1 车架及连接部分的材料

车架及连接部分的材料见表1。

2 车架刚度校核

采用非线性分析软件 Abaqus对车架的弯曲刚度、扭转刚度及幅值的变化情况进行有限元法计算分析。

2.1 弯曲刚度

2.1.1 弯曲刚度边界条件

结合车架的实际情况，对车架进行弯曲刚度分析所采用的边界条件见图2。

图2 弯曲刚度分析所采用的边界条件

图3 弯曲刚度位移云图

2.1.2 弯曲刚度位移云图

分析得到的弯曲刚度位移云图见图3。

2.1.3 弯曲刚度计算结果

式中：CB—弯曲刚度(N.m2)；

a—轴距(m)；

F—集中载荷(N)，集中载荷F大小为1000N；

h—集中载荷作用点处的挠度均值(m)。

2.2 扭转刚度

2.2.1 扭转刚度边界条件

对车架进行扭转刚度分析所采用的边界条件见图4。

图5 扭转刚度位移云图

2.2.2 扭转刚度位移云图

分析得到的扭转刚度位移云图见图5。

2.2.3 扭转刚度计算结果

式中：CT —扭转刚度(N·m2/°)；

T=FB，B—力臂(m)，F—集中载荷(N)，集中载荷F大小为1000N；

L—轴距(m)；

h—平均挠度(m)；

表3 扭转刚度计算结果

3 车架强度校核

综合分析该车的工作状况，重点考察纯弯和后桥悬空、左后轮下降150mm、右后轮上抬220mm、前轮上抬220mm、前左、右后车轮同时悬空等扭转工况下车架总成和悬架横臂及桥壳应力幅值变化。动载系数取为1.5。

质量载荷的处理：

（1）以汽车坐标系作为基准和参照，计算和确定相应零部件的重心，并以该重心坐标作为主点(以此作为定义质量单元的节点)，承受重力的网格节点为从点，建立一维单元Rbe3，将质量单元分配至承受重力网格节点。

（2）通过重心节点创建质量单元 Masses，完成质量载荷的施加；如驾驶室、发动机、油箱、电瓶箱、分动器的质量载荷等均是定义为Masses单元。

（3）重力加速度大小及方向：以汽车坐标系中 Z轴的负方向作为重力加速度的方向，大小为g =9800mm/s2（作用于具有材料属性—密度的单元模型上）。

3.1 纯弯工况

3.1.1 纯弯工况边界条件

图6 纯弯工况下车架的边界条件

纯弯工况下车架的边界条件见图6。

3.1.2 纵梁应力结果见图7

最大应力129.6MPa，位于前桥处。

图7 纵梁应力结果

3.1.3 内加强梁应力结果见图8

最大应力172.7MPa，位于最前端。

图8 内加强梁应力结果

3.1.4 横梁应力结果见图9

最大应力84.13MPa。

图9 横梁应力结果

图10 管梁应力结果

3.1.5 管梁应力结果见图10

最大应力65.38MPa，位于其右侧。

3.1.6 连接板应力结果见图11

最大应力12.18MPa。

图11 连接板应力结果

图12 工字梁应力结果

3.1.7 工字梁应力结果见图12

最大应力8.106MPa。

3.1.8 尾梁应力结果见图13

最大应力361.9MPa。

图13 尾梁应力结果

3.2 扭转工况

扭转工况主要分为以下两种情况考虑：工况 1：右前轮下移200mm；工况2：右后轮上抬200mm。

3.2.1 右前轮下移200mm的扭转工况

3.2.1.1 右前轮下移 200mm的扭转工况边界条件见图14。

图14 右前轮下移200mm的扭转工况边界条件

3.2.1.2 纵梁应力结果见图15，最大应力219.2MPa，位于前桥处。

图15 纵梁应力结果

3.2.1.3 内加强梁应力结果见图16，最大应力270.1MPa，位于最前端。

图16 内加强梁应力结果

3.2.1.4 横梁应力结果见图17，最大应力270.6MPa。

3.2.1.5 管梁应力结果见图18，最大应力197.4MPa，位于其右侧。

图17 横梁应力结果

图18 管梁应力结果

3.2.1.6 连接板应力结果见图19，最大应力113.8MPa。

图19 连接板应力结果

3.2.1.7 工字梁应力结果见图20，最大应力71.15MPa。

图20 工字梁应力结果

3.2.1.8 尾梁应力结果见图21，最大应力103.0MPa。

图21 尾梁应力结果

3.2.2 右后轮上抬200mm的扭转工况

3.2.2.1 右后轮上抬 200mm的扭转工况边界条件见图22。

图22 右后轮上抬200mm的扭转工况边界条件

3.2.2.2 纵梁应力结果见图23，最大应力203.2MPa，位于前桥处。

图23 纵梁应力结果

3.2.2.3 内加强梁应力结果见图24，最大应力230.0MPa，位于最前端。

图24 内加强梁应力结果

3.2.2.4 横梁应力结果见图25，最大应力284.2MPa。

3.2.2.5 管梁应力结果见图26，最大应力186.1MPa，位于其右侧。

图26 管梁应力结果

图25 横梁应力结果

3.2.2.6 连接板应力结果见图27，最大应力106.9MPa。

图27 连接板应力结果

3.2.2.7 工字梁应力结果见图28，最大应力为72.01MPa。

3.2.2.8 尾梁应力结果见图29，最大应力为87.04MPa。

图28 工字梁应力结果

图29 尾梁应力结果

图30 制动工况边界条件

3.3 制动工况

3.3.1 制动工况边界条件见图30

3.3.2 纵梁应力结果见图31

最大应力123.8MPa，位于前桥处。

图31 纵梁应力结果

图32 内加强梁应力结果

3.3.3 内加强梁应力结果见图32

最大应力168.1MPa，位于最前端。

3.3.4 横梁应力结果见图33

最大应力78.41MPa。

3.3.5 管梁应力结果见图34

最大应力82.89MPa，位于其右侧。

3.3.6 连接板应力结果见图35

最大应力11.71MPa。

图33 横梁应力结果

图34 管梁应力结果

图35 连接板应力结果

图36 工字梁应力结果

3.3.7 工字梁应力结果见图36

最大应力9.164MPa。

3.3.8 尾梁应力结果见图37

最大应力9.213MPa。

图37 尾梁应力结果

3.4 分析结果列表

将以上的纯弯分析和扭转工况的分析结果列表，见表4。

表4 分析结果列表

4 结论

综上所述利用有限元的方法对车架的弯曲刚度、扭转刚度以及制动工况时的刚度、强度的分析计算可以看出均在允许范围内，满足设计要求。