牵引车车架的动静态性能分析

铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 牵引车车架的动静态性能分析摘 要：本文以 Ansys 软件为分析工具对从国外引进的某型牵引车的车架进行了有限元分析、模态分析和以路面谱为输入的随机振动分析，通过用壳单元离散车架及 MPC 单元模拟铆钉传力建立计算模型，研究该车架静、动态性能，了解该车架的优缺点。 关键词： 车架; 有限元分析；随机振动 引言 车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。随着科技的进步，国际上汽车车架的开发和设计己由经验、类比、静态设计方法，进入建模、静动态分析、动态参数优化阶段，并向基于计算机平台的虚拟设计发展。国内车架设计，尤其是轿车、客车和载重货车车架设计仍以引进技术为主，车架分析和设计能力较低，与国外先进水平有较大差距。 本文以某汽车公司从欧洲引进的牵引车车架为研究对象，对该车架结构的基础应力进行分析了解，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。 1 有限元分析模型的建立 该车架为边梁式1 ，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁连接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图 1 所示。由于车架是由一系列薄壁件组成的结构，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁连接情况，是目前常采用一种模型。该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉方式连接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。 铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 图 1 车架结构示意图该车架长 7m，宽约 0.9m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分组成。考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维 CAD 软件 UG 里建立好车架的面模型，导入到 Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到 Ansys 解算。车架各层之间通过铆钉联接，可以用 Hypermeshconnectors 中的 bar 单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS 的 MPC 单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故 MPC 的类型应选择 Rigid Beam 方式。由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。整个车架结构应力分析的有限元模型由车架有限元模型和悬挂系统等效有限元模型组成，其中纵横梁、加强板等为薄壁结构，以壳单元 shell63 离散；钢板弹簧、轮胎以弹簧单元模拟；前悬弹簧的模型为在每边纵梁上采用 2 个弹簧单元，每个弹簧单元通过 MPC 与车架连接，后悬弹簧的模型为在每边纵梁上采用 1 个弹簧单元与车架后轴连接。壳单元总数为 46770 个，MPC 单元为 1338 个，材料为欧洲高强度材料，杨氏模量为 2E5MPa，泊松比 0.3。网格划分后的局部模型如图 2 所示。图 2 车架有限元模型的局部放大图2 静力分析 2.1 边界条件的确定 车架静力分析时，应消除刚体位移，保证结构总刚度矩阵非奇异，须对车架进行必要的约束。由于车架通过悬架系统、车轮支承在地面上，当有限元模型将悬架系统与车架组合成整体式计算模型后，边界条件可简化为约束前后悬弹簧单元接地处的自由度，让车架形成一简支梁结构。根据车辆电测的有关标准2和车辆实际运行时的受力情况，车架的静力分析要考虑弯曲工况和弯曲扭转工况，由于是研究牵引车车架，因此还要考虑牵引力的作用。 在弯曲工况的分析计算中，车架静止平放，满载，故可以将前后悬弹簧底部节点固定，约束所有自由度。铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 在弯曲扭转工况的分析计算中，车架静止，满载，其中一个前轮或后轮抬高 200mm，故可以将抬高车轮处的弹簧单元底端约束除 Z 轴向移动之外的所有自由度，再给该处一个沿 Z 轴正向的 200mm 的强迫位移，未抬高车轮处的弹簧单元约束如同弯曲工况。 2.2 载荷的简化及加载 载荷的简化与施加是否和实际相符或接近直接关系到计算结果的真实性，在进行弯曲和弯曲扭转工况计算时，车架所受载荷一致，主要包括驾驶室的重力、发动机的重力、鞍座所受压力和牵引力，以及车架自重。 该车架的主要技术参数如下： 所牵引的列车允许拖挂总重(G.C.W.)： 70,000 公斤 车辆总重(G.V.W.)： 34,000 公斤 前桥最大承载能力 ： 7,500 公斤 后桥最大承载能力： 26,800 公斤 鞍座允许最大承载能力： 24,602 公斤 驾驶室总重： 800 公斤 发动机总重： 800 公斤 驾驶室总重 800 公斤，按其长度沿纵梁施加均布载荷；发动机重量为 800 公斤，将其均布在支承发动机的四块支承板上；鞍座允许最大承载能力为 24,602 公斤，考虑到车辆制动时产生的载荷转移，在鞍座上施加 25，000 公斤的压力载荷；该车牵引的列车允许拖挂的总重为 70，000 公斤，形成的牵引力通过挂钩作用在鞍座上，方向是沿 X 轴向后，可以简化为作用在鞍座上与承载压力在同一位置的 X 向均布载荷；车架自重力视具体结构可作为均布载荷分布到结构的相应结点上，也可以密度和重力加速度的方式施加，在此选用后者，在模型上施加-9800mm/s2 的重力加速度，模拟车架自重。 2.3 静态计算结果与分析 2.3.1 弯曲工况的计算结果 弯曲工况的应力分布图如图 3、图 4 所示，单位为：MPa。铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 图 3 弯曲工况的应力分布图 图 4 弯曲工况下除去鞍座后车架的应力分布2.3.2 弯曲扭转工况的计算结果 弯曲扭转工况以右后轮抬高 200mm 为例，其应力分布图如图 5、图 6 所示，单位为：MPa。图 5 弯扭工况去除鞍座后的应力分布图 图 6 弯扭工况下第二、三横梁及靠背粱的应力分布图2.3.3 计算结果分析 车架在弯曲工况时，总体应力不大，高应力区集中在纵粱的靠背梁、第三横梁和外包粱所在位置处，最大应力不超过 200MPa，远小于该车架材料的抗拉强度 800MPa。相对而言，受力较大处在鞍座部位，应力相对较大，但仍没有超过车架的抗拉强度。弯曲工况下，第二、第三横焊缝周围的应力值较小。 车架在右后轮抬高的弯曲扭转工况时，高应力区集中在车架纵粱的第三横梁附近及后轴位置上的加强板处，其值不超过 330MPa。焊接部位的高应力区也在第三横梁上，焊接处应力最大值不超过 250MPa，说明在这种焊接结构下，焊接性能优良，焊缝结构值得借鉴，横梁设计合理，可以用于改进其它车型的车架横梁结构。 经上述分析可知，该车架的结构设计合理，大部分部位应力远小于车架材料的抗拉强度，性能稳定，焊接性能优良。可通过优化的方法在保证或提高性能的前提下，改进车架结构，减轻车架自重。 铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 3 动态性能分析 模态分析是研究结构动态性能的基础，车架可看成一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激振力就是使牵引车车架产生复杂振动的动力源。引起各种激振力的因素可概括为两类：一是汽车行驶时路面不平度对车轮作用的随机激振；二是发动机运转时，工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复惯性力引起的简谐激振。如果这些激励力的激振频率和车架的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致在车架上某些部位产生数值很大的共振动载荷，会造成车架的破坏。在此，主要分析第一种情况，即先以模态分析求出车架的固有频率和振型，在此基础上分析路面不平度对车架作用的随机激振情况，确定车架的动态特性。 3.1 模态分析 模态计算该车架的自由振型，即取消所有约束条件、承载情况和前后悬弹簧的作用，在 ANSYS 中用Block Lanczos 法提取自由振动时的前 15 阶固有频率，由于刚体位移，前 6 阶的频率为零，其余各阶频率如下表。 表 1 车架的 715 阶固有频率及振型3.2 随机振动分析 随机振动是指机械(结构)系统对外加随机激励的动态响应，在结构力学中，激励被称为载荷。载荷不仅指外力，还包括外加的运动作用，如在动态系统或在其某部位上加以一定的位移或加速度等。车架的随机振源主要考虑路面不平度对车架作用，可以通过施加路面功率密度谱的方式来激励2。利用 ANSYS 的谱分析功能可以分析车架的随机振动情况3。随 机振动分析时要求有限元模型带有前后悬弹簧，并将每个弹簧的底部节点全约束。 车架在凹凸不平的路面上行驶时，它的各个车轮所受的路面激励不完全相同，为了简化计算，将各个车轮所受的激励简化为同一个，即各个车轮的功率谱密度谱都相同。 下图是车架局部典型部位在功率谱密度谱作用下的应力随频率变化的曲线。铸就商用车领域成功企业的典范Create a model of successful enterprise in the field of commercial vehicles 3.3 计算结果分析 从模态分析可知：车架固有振型分为两类：一类是车架的整体振动，另一类是以车架一个或几个部分振动为主的局部振动。7 到 15 阶模态频率分布在 8-36Hz 范围内，且以整体振动为主的模态振型较多，其中第 7、15 阶振型属于扭转振型，第 8、10、12、13 阶振型属于弯曲振型，第 12、15 阶伴随有车架的局部振动，第 9、11、14 阶振型为局部振动，主要集中在鞍座和外包梁两个位置。模态分析结果表明该车架刚度较好。 从车架典型部位的应力随频率变化的曲线知，车架大多数部位，在频率为 5Hz 和 8Hz 时，应力会发生突变，主要是因为车架的第七阶固有频率为 8.7392Hz，在这个频段中，车架系统在路面不平度的作用下发生较强烈的共振现象。由于路面不平度的激励频率大都集中在 0-20Hz 之间，所以它与车架固有频率的耦合而引起的共振现象属于低频共振，低频共振对车架振动的贡献远远大于高频共振。引起车架乘坐舒适性的下