车架横梁截面对承载性能影响的仿真分析

2020-03-22史凤波孙船斌童宝宏

机械工程与自动化 2020年1期

黄虎，史凤波，孙船斌，童宝宏，纪俊

（1.安徽福马汽车零部件集团有限公司，安徽马鞍山 243100；2.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243032）

0 引言

车架作为整个卡车的承载基体，承受着货箱及其中的货物、驾驶室、动力总成及其他各类总成等整个卡车几乎所有的簧上质量。当卡车行驶在凹凸不平的路面上时，也承受着极其复杂的静动态载荷，可能会受到超过车架本身许用应力的垂直方向的冲击载荷。在不同的行驶工况下，卡车车架可能会出现局部过载等各种不利现象，这些不利现象可能会导致车架的过度变形，甚至产生断裂现象。因此，研究卡车车架横梁的承载性能就显得十分重要。

国内外不少文献对车架结构进行了优化分析［1－4］。Kim H S等［5］对车架施加极限静态载荷，然后研究这种情况下车架的失效表现形式，并探究了这种失效对车架的影响。Ao K等［6］提供了归纳有限元稳态力学分析结果的方法，并利用获得的结果指导车架的后续设计与分析。钟佩思等［7］针对易发生疲劳破坏的货车车架，分析了车架在不同工况下的强度与刚度，从而找出了发生疲劳破坏的原因，并以此为基础，根据以往的分析经验对车架进行了优化。杨希志等［8］研究了某型卡车的横梁性能，通过对不同结构形式的车架横梁进行分析，还将不同形式的横梁置于中体车和宽体车中进行模态分析，最终对比得出了各种结构形式横梁的优缺点。何惧等［9］通过三维建模之后，在不同工况下对四种结构形式的横梁进行了静强度分析，分析概括了四种横梁在不同工况下的优劣，最终获得了较好的选择。

本文首先利用有限元分析软件ABAQUS建立某轻型载货车辆车架的几何模型和有限元模型，分析满载弯曲、满载扭转、满载制动和满载转弯的加载条件，并在这四种工况下，对比分析不同工况下车架的应力和变形，研究不同截面横梁对车架承载性能的影响。

1 车架有限元模型

本文以某两轴轻型厢式货车车架为研究对象，该货车车架采用的是两根槽型的纵梁和六根槽型的横梁通过焊接而成的边梁式结构，车架材料为Q345，货车主要参数如表1所示。

表1 货车主要参数

设定网格尺寸为20mm，车架模型划分网格后获得119 882个节点、38 660个单元，如图1所示。

图1 车架网格划分

2 不同工况约束和加载分析

驾驶室和乘员的质量为500kg，满载时货物和货箱的质量为6 000kg，将这些载荷均匀分布到相应车架位置。进行车架承载性能分析时，为保证一定的安全系数，需要考虑分布质量的动载系数。不同行驶工况下，车架发生的主要变形有较大区别。下面对载货车辆在不同工况下的约束和加载进行分析。

（1）满载弯曲工况。该工况模拟载货车辆在较平坦道路匀速行驶，车架除了受所载货物、驾驶室及其内部乘员的重力，还要额外承受路面颠簸引起的垂向冲击，在这些载荷和悬架系统的约束下，车架会发生弯曲变形。通过限制各车轮垂直方向的位移，可以达到相同的约束效果。

（2）满载扭转工况。该工况模拟载货车辆在坑洼道路匀速行驶，前后左右轮胎会出现较大程度的抬高和下陷。在约束一侧轮胎垂向位移的基础上，同时对一侧前轮降低10mm，另一侧后轮抬高10mm，通过对角轮胎位移差使车架发生扭曲。

（3）满载制动工况。该工况模拟载货车辆在突发情况下紧急刹车，可以在满载弯曲工况下叠加制动作用。为模拟制动效果，对车架及连接部件施加相反的惯性加速度，本文选定制动惯性为0.6g。

（4）满载转弯工况。该工况模拟载货车辆转弯，可以在满载弯曲工况下叠加转弯引起的侧向惯性作用，本文选择的转弯侧向惯性加速度为0.2g。

设定X轴为货车侧向，Y轴为垂直向上方向，Z轴为货车前进方向，满足笛卡尔右手法则。各工况下的动载系数和约束如表2所示。

3 截面形状对横梁承载性能影响

本文选取三种截面横梁作为具体研究对象：槽型横梁截面尺寸为宽80mm、高140mm、厚度5mm；矩形截面尺寸为宽80mm、高140mm、厚度5mm；圆型截面尺寸为直径110mm、厚度5mm。以下为不同工况下，依次改变横梁截面形状（槽型横梁、矩形横梁和圆型横梁），通过ABAQUS软件进行车架的应力和位移分析。

表2 不同工况动载系数和约束

3.1 满载弯曲工况

对不同截面横梁的车架进行加载和约束，获得了车架的应力云图，如图2所示。

从图2可知：整个车架应力变化主要集中在前轮和后轮的位置附近，尤其在后轮位置，整个车架的应力从车轮位置向两端逐渐变小，这是由于前后车轮位置是车架向地面的载荷传递点；槽形横梁、矩形横梁、圆管形横梁的车架最大应力分别为99.02MPa、99.02 MPa、103.5MPa，最大应力位于后轮支撑处。三种形状横梁车架的位移最大值均位于车架第三根横梁位置，最大位移分别为1.065mm、1.02mm、1.48mm。三种截面横梁车架在满载弯曲下的应力和位移变化是一致的，其中槽形截面与矩形截面横梁最大应力和位移值基本一样，但从图2中可以看出矩形截面明显降低了车架前部横梁的应力变化，圆形截面横梁的最大应力和位移均较为恶劣。

3.2 满载扭转工况

图3为三种截面横梁车架在满载扭转工况下的应力云图。

图2 满载弯曲工况下车架应力云图

图3 满载扭转工况下车架应力云图

从图3可知：槽形横梁、矩形横梁和圆管形横梁车架的最大应力分别为280.4MPa、281.4MPa和256.1 MPa，也都是处于后桥处；三种横梁车架的应力分布都是在前后桥位置向两端逐渐减小，其中槽形截面与矩形截面横梁最大应力值基本一样，而圆形横梁的应力极值最小。在满载扭转工况下，三种截面横梁车架的最大位移分别为7.02mm、6.97mm、5.22mm，均位于车架第三根横梁位置，圆形截面横梁明显降低了车架位移。

3.3 满载制动工况

图4为三种截面形状横梁车架在满载制动工况下的应力云图。

图4 满载制动工况下车架应力云图

从图4可知：槽形横梁、矩形横梁和圆管形横梁的最大应力分别为124.5MPa、123MPa和112.8MPa，最大应力均位于后桥处，整体应力变化基本一致。在满载制动工况下，三种截面横梁车架的最大位移分别为1.42mm、1.38mm、0.99mm，其中槽形横梁、矩形横梁车架的最大位移位于车尾，而圆形截面横梁车架的最大位移位于车架靠近第4根横梁处，明显降低了车架在满载制动下的位移。

3.4 满载转弯工况

图5为三种截面形状横梁车架在满载转弯工况下的应力云图。

从图5可知：槽形横梁、矩形横梁和圆管形横梁的最大应力分别为159.2MPa、156.6MPa和179.0 MPa，前后桥处均有应力集中，整体应力变化基本一致。在满载转弯工况下，三种截面横梁车架的最大位移分别为2.73mm、2.66mm和3.137mm，三种截面横梁车架的最大位移发生在后桥处，且均为与货箱连接处。可见在满载转弯下，槽形和矩形截面横梁车架的应力和位移均较小，而圆形截面横梁车架的应力和位移变得恶劣。

图5 满载转弯工况下车架应力云图

3.5 分析结果比较

综合比较四种工况下三种截面横梁的应力和位移，槽形横梁与矩形横梁对车架应力和位移变化的影响基本一致，但矩形截面可以明显降低横梁本身应力。而圆管形横梁在满载扭曲和满载制动工况下有显著改善车架应力和位移的作用，但在满载弯曲和满载转弯下使车架应力和位移变得恶劣。可见，槽形截面横梁在不同工况下有着综合良好的承载性能，矩形截面横梁能够明显改善由横梁本身引起的承载能力，圆形截面横梁在不同工况下的承载性能并不一致，需要根据车架设计目标权衡利用。