基于ANSYS的某型农用车架有限元分析试验综述

李军,李勇

(合肥职业技术学院，安徽 合肥 238000 )

0 引言

由于农用车存在车架强度不足及刚度不合适的问题，导致在使用过程中出现大梁断裂或疲劳损害等现象的发生，严重影响农用车的使用寿命和可靠性，造成极大的安全隐患。再者，农用车车架在设计和生产方面表现出与整车性能不匹配的现象，优化车架性能是提高整车性能的关键。当车架出现问题时，设计人员一般是采用经验法对车架进行改良设计，例如增大钢板厚度、在断裂部位添加加强筋等，但该改良流程存在很大的盲目性和周期过长等缺点，难以适应现代高效设计要求。

1 车架的功用及其类型

车架俗称“大梁”，是汽车所必须具备的一副“骨架”，也是汽车的装配基体。车架的功用主要包括两点：①支承、连通接汽车的各总成和零部件；②承受行驶过程中车内外的各种载荷作用。

为了使车架具备上述功能和满足使用要求，汽车车架应具备以下特性：

(1)有较高的弯曲刚度。汽车在行驶过程中承受各种静、动载荷，只有具备了较高的弯曲刚度才能保证车架在复杂受力工况下不至于变形过大而失去正常工作的能力。

(2)有适当的扭转刚度。当汽车在不平路面上行驶时，地面的不平度使得车身沿纵向扭转，为了提高汽车对路面的适应性以及汽车的通过性和平顺性，车架应当具有适当的扭转刚度。实际上，为了满足上述要求，车架一般被设计为两端扭转刚度较大而中间扭转刚度较小的结构。

(3)有足够的强度。为了使车架能承受得住各种工况下的复杂载荷，保证车架不受破坏，对此要求车架具有足够的抗疲劳、耐冲击强度，从而避免车架在三级维护里程内出现严重的疲劳损伤。

(4)有较小的质量。为了具备较高的弯曲刚度、适当的扭转刚度和足够的强度特性，车架往往被设计为质量较大、钢板消耗较多的产品。为了达到节能减排目的，现代汽车的车架应该满足小质量、高性能的要求，在保证充分强度和刚度的前提下，尽可能减小车架的质量。

因此，车架是一个形状复杂以及对强度、刚度等性能要求较高的弹性结构。

车架按照结构形式的不同分类，主要有边梁式车架、中梁式车架、综合式车架和无梁式车架。

2 国内农用车车架存在的问题

农用运输车的简称是农用车，其定义是以柴油机为动力，在农村或野外道路进行货物运输的低速机动车，一般分为三轮农用车和四轮农用车两种。相对而言，农用车保留了拖拉机原有的农田作业和动力输出等功能，在此基础上还提高了运输能力、驾驶条件和行驶速度。

据统计，我国现今从事农业的人口约为2亿，而农用车的保有量超过2 000万台，平均10户农户拥有一辆农用车。农业生产、农业货物运输等劳动作业超过半数以上是依靠农用车来完成。根据2020年的国家数据统计：国内的城乡货物运输总量超过240亿t，而农村农田的场地运输总量超过410亿t，并且每年还以10%以上的速度增长。据估计，未来的10年时间农用车的保有量可能增大2～3倍，将达到6 000万辆的规模，表现出巨大的市场潜力。截止至2020年底，国内从事农用车生产的企业有230家以上，企业数量的年增长率约5%，生产的农用车类型多达2 500种，位居世界首位。国内的农用车销售地区主要集中在农村和郊外，尤其是山区和丘陵地带。由于采用了柴油机，农用车比一般的汽油运输车便宜，且具有油耗低和马力大等特点，深受广大农民的欢迎，在城乡一体化建设中发挥越来越大的作用。

进入21世纪后，我国农用车市场前景广阔、发展迅猛，但存在品种单一、设计水平低、科技含量不高等缺点。随着经济与社会的发展，用户对农用车的要求越来越高，在车辆的可靠性、耐用性、舒适性等方面提出了更高的要求。为了扩大市场、提高企业的竞争力、减小国外先进农机技术的冲击，国内农用车企业应重点解决以下几个问题：

(1)在城乡路段、丘陵和山区地带，由于路况较为恶劣导致农用车车架经常出现断裂和严重变形等事件的发生，使其无法达到设计寿命要求。

(2)传统农用车在设计阶段几乎不考虑底盘系统与行驶路面激励耦合问题，造成了底盘车架振动过大。

(3)传统的底盘系统为了提高车架的强度与刚度，几乎是通过加厚钢板来实现，导致车架越来越笨重，造成了材料的极大浪费，与当今提倡的“节能型”技术主流相悖。

(4)车架技术含量低，基本是通过用户反馈来进行结构改进，没有形成有效的结构优化设计流程。

因此，对车架的研发，尤其是农用车车架的设计，需寻找一种新的设计和分析方法，突破传统的设计思路，运用现代设计方法对农用车车架进行结构优化，在满足使用性能和制造工艺前提下，增强车架的强度、提高刚度、降低生产成本、满足节能减排要求。

3 国内外车架的研究现状

在日益严格的排放标准和环保要求的压力下，全球汽车企业在降低车辆油耗、减少排放、提高安全性方面进行了大量的研究。从表层上看，在保证强度与刚度的前提下减小车辆质量是降低油耗的有效方法;从更深的层面上看，减小车辆质量还有助于降低有害物的排放和不可再生资源的消耗。

通过查阅大量文献，总结了国外对车架进行有限元分析与结构优化的研究主要包括：

(1)对车架进行有限元静力学分析，分析车架的刚度与强度，检验车架能否满足设计要求。

(2)基于模态分析理论，对车架进行计算模态分析与试验模态分析，研究车架本身的固有特性，为更深层次的结构动态优化设计打下基础。

(3)对车架进行行驶过程中的瞬态分析，研究车架在路面激励下的动态响应，为底盘系统的设计和开发提供依据。

(4)采用现代优化方法，对车架进行多学科优化设计，进而提高车架的综合性能、降低车架质量。

国外学者从20世纪60年代起就开始运用有限元法对车架进行静力学分析，并取得了良好的效果。Irwanto利用有限元法对车架进行模态分析，根据分析结果总结了车架的动态特性并提出了修正车架设计方案的思路。

另外，国外学者还对车架的动力学及疲劳特性等进行了分析。Lee等采用完全有限元法对开放式车架进行了强度性能校核，获得了车架在加速、刹车、转向和冲击工况下的力学特性。

国内对车架的研究要晚于国外，国内在汽车车身、车架的结构分析方面偏重于强度、刚度指标，主要以底盘系统的结构强度、刚度试验结果作为设计的关键指标，然后进行产品定型；而国外的汽车企业则将汽车车身、车架的强度、刚度、低阶模态参数、质量作为产品设计的关键指标，在综合分析基础上进行产品定型。目前在国内，众多高校与企业对车架的研究主要集中在车架静力学、模态分析、瞬态分析和结构优化设计方面。

以低速货车车架作为研究对象，王晖云在ANSYS软件中利用SHELL63号单元对车架进行网格划分，对车架进行静力学分析获得了车架在不同工况下的弯曲、扭转应力分布情况，并对车架的改进设计提出了合理的建议。汪随风运用 MSC.NASTRAN软件对微型车车架进行了结构有限元分析，获得了车架的应力分布、弯曲强度、刚度曲线以及模态特性和疲劳寿命，并利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟车架与墙壁的正面碰撞。以重型商用车的零部件优化问题为研究背景，郭立群研究车架对整车静态扭转、弯曲刚度的影响，以及分析了可设计域内的结构物理参数，在保证整车刚度不变前提下根据拓扑优化理论对车架进行优化设计，使车架质量下降了15%。在对车架有限元模型进行加载载荷和设定约束基础上，赵紫纯根据有限元原理和利用Optistruct平台对车架进行强度和刚度分析，获得车架的应力集中区域和位移变形最大位置，最后还对车架结构进行强度和刚度评价。

4 国内外农用车车架的研究现状

4.1 农用车的结构特点

农用四轮运输车能适应农村的野外作业环境，是经济性较强的农村运输工具。农用运输车主要从事农村运输活动，经常在路况较差、路面凹凸不平的道路上行驶，因此底盘的振动较大、车架受力情况复杂、驾驶室的舒适性较差。如何保证农用运输车的安全性、耐用性和经济性已成为各大农用车企的关注焦点。

图1(a)为货车，图1(b)为农用运输车，简称农用车。低速货车与农用车在外观上有很大的相似性，但两者在车辆结构和作业对象方面有明显的差别。低速货车的定义是：以柴油机为动力，最高设计车速不大于70 km/h，最大载货质量小于4 500 kg，长度不大于6 m，宽度不大于2 m的四轮货车。农用车是适用于农业运输车辆的统称，包括专门为农业运输所设计的车辆，以及将普通货车改装成为适应农业运输的专用汽车。因此，农用车包括了一般的低速载货货车和专用的农用运输车。

图1 货车与农用车示意

相对普通货车而言，农用运输车有以下几个特点：

(1)以柴油机为动力，车架坚实牢固。一般采用越野花纹或低压宽断面轮胎，底盘离地间距较大、轴距较短、轮距较宽，具有良好的通过性和横向稳定性。

(2)有机械和液压动力输出装置，能实现自动卸货功能，另外还可以为多种专业运输附属装置提供额外动力。

(3)变速箱挡次较多，一般配备高低挡双级分动变速器。因此既可以在公路上快速行驶，也可以配合低速的农业作业，甚至可以当作大马力拖车使用。

(4)驾驶室视野开阔，安全性高、操作性强。

(5)车厢结构灵活多变，可安装高箱板、罐式、箱式等车厢，拆装方便。

4.2 农用车车架的研究现状

国外多年前就开始重视有限元法在农用车车架结构分析上的应用，并已经取得了大量的研究成果。

为了获得车架在载荷作用下的引力分布情况，Chuaymung等对轻型农用运输车进行了实验测试与计算仿真，对单轮和双轮悬空两种工况进行详细研究，并为车架结构的改进提出了几点建议。

在有限元商用软件未开发年代，由于无法对农用车车架的结构变形和应力分布情况作定量计算，国内农用车生产企业对出现问题的车架基本是采取整体钢板加厚和局部加强的方法，造成了材料上的浪费。随着有限元技术在国内的推广，国内企业和高校科研工作者对农用车车架进行了大量的静力学分析、动态分析和结构优化等计算。

5 试验体系及内容

全结构体系如图2所示，以农用运输车的车架为研究对象，在建立有限元模型基础上，对车架进行了有限元静强度分析、模态分析和结构优化。

图2 全结构体系

试验的主要研究内容和步骤安排如下：

(1)农用车车架的有限元模型建立。根据农用运输车的作业环境和车架的结构特点，在合理简化基础上利用有限元分析软件ANSYS建立车架的参数化模型。进行网格划分后得到了完整的农用车车架有限元模型，为车架的静力学分析和模态分析奠定了基础。

(2)农用车车架的静强度有限元分析。利用ANSYS软件对农用车车架进行有限元强度性能分析，获得满载弯曲工况、满载扭转工况和满载紧急制动工况下农用车车架的位移分布云图和应力分布云图，找到车架的应力集中部位，为结构优化设计提供了依据。

(3)农用车车架的有限元模态分析。根据农用车的作业环境和结构特点，对车架进行自由状态和约束状态下的模态分析，获得车架的前10阶固有频率和对应振型，对车架自由模态和约束模态的分析结果进行评价，找出车架结构设计中存在的薄弱部位，并分析是否可能发生共振。

(4)农用车车架的结构优化。根据车架的静强度和模态分析结果，在确定目标函数、设计变量和约束条件基础上，建立了农用车车架的结构优化模型。根据实际条件，对农用车车架进行以减重为目标的结构优化设计。

6 结语

为了增加农用运输车车架的强度和刚度，进而提高整车作业效率和可靠性，针对农用车车架的静强度与动态特性问题进行深入的研究。在总结国内外车架研究历史和现状基础上，利用有限元分析软件建立农用车车架的有限元分析模型，根据实际情况分析了农用车车架在满载弯曲工况、满载扭转工况和满载紧急制动工况下的静力学特定，然后对车架进行了自由模态分析和约束模态分析，最后利用梯度法对车架进行以减重为目标的结构优化设计。此试验的研究成果主要包括以下几方面：

(1)根据农用运输车的作业环境和农用车车架的结构特点，在合理简化基础上利用有限元分析软件ANSYS建立车架的参数化模型。经过详细的对比分析后，采用Shell 63号板壳单元、Beam 188号梁单元和Combin 14号弹簧单元对车架进行网格划分，得到了完整的农用车车架有限元模型，为车架的静强度分析和模态分析打下了基础。

(2)根据农用车的实际作业环境、行驶路况以及车架的结构形式，利用ANSYS软件对农用车车架在满载弯曲工况、满载扭转工况和满载紧急制动工况下进行静力学分析，用以校核农用车车架的静强度。静强度分析结果显示，满载紧急制动工况下车架应力集中现象，最大应力达到372.654 MPa，超过了材料的许用应力。因此，必须对农用车车架的相应部位进行结构优化，以消除应力集中从而提高使用寿命和整车可靠性。

(3)利用有限元分析软件ANSYS对农用车车架进行自由模态分析,获得了车架的模态参数，了解车架的动态特性，并找出了车架结构设计中的薄弱部位，为结构优化设计提供了依据。约束状态下，车架的第1阶固有频率24.943 Hz与柴油机怠速激励频率的1阶谐量26.67 Hz接近；而车架的第4阶固有频率54.748 Hz则与柴油机怠速激励频率的2阶谐量53.33 Hz非常接近。除此之外，车架的第1阶固有频率(24.943 Hz)分布在行驶路面的激励频率(0～25 Hz)范围内。

(4)在ANSYS软件中建立农用车车架的参数化模型，利用梯度法进行以减重为目标的结构优化设计。完成结构优化设计后，车架的总质量从原来的884.2 kg下降到802.3 kg，质量下降了9.27%；最大应力从原来的372.654 MPa下降到267.341 MPa；优化后车架的前10阶固有频率都有提高，第一阶固有频率(29.394 Hz)高于路面激励频率的上限，避免了路面激励共振的发生；第4阶固有频率从原来的54.748 Hz提高到60.022 Hz，由此与发动机怠速激励频率的2阶谐量53.33 Hz距离变大，降低了发生共振的可能性。