基于ABAQUS重型自卸車副車架強度分析

王許州，楊　璐*，李慶江，魏本雪

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽　110870；2.菏澤學(xué)院教務(wù)處，山東菏澤　274015；

3.山東五征集團有限公司汽車事業(yè)技術(shù)部，山東日照　262306)

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基于ABAQUS重型自卸車副車架強度分析

王許州1，楊璐1*，李慶江2，魏本雪3

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110870；2.菏澤學(xué)院教務(wù)處，山東菏澤274015；

3.山東五征集團有限公司汽車事業(yè)技術(shù)部，山東日照262306)

摘要：針對某自卸車長時間使用后副車架局部出現(xiàn)疲勞裂紋的情況，以該重型自卸車副車架為原型建立計算模型，利用ABAQUS有限元軟件對該副車架的不同工況進行靜力分析。結(jié)果表明：在3種典型工況下，副車架產(chǎn)生的等效應(yīng)力比較接近，扭轉(zhuǎn)工況時產(chǎn)生的等效應(yīng)力最大，為270.1 MPa，安全系數(shù)為1.26，滿足強度要求；但車架前中部管梁處位移比較大，應(yīng)力集中較明顯，長時間使用后該處容易產(chǎn)生疲勞斷裂。模擬分析數(shù)據(jù)可為重型自卸車副車架優(yōu)化改進設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：副車架；疲勞裂紋；靜力分析；優(yōu)化改進

隨著我國城市化建設(shè)、高速鐵路及公路建設(shè)的飛速發(fā)展，對大型筑路及礦山開采機械的需求不斷增加，重型自卸車成為不可缺少的運輸工具[1]。某廠生產(chǎn)的重型自卸車，在長時間使用后，副車架局部出現(xiàn)了疲勞裂紋。為了正確評估副車架結(jié)構(gòu)的合理性，尋找結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱區(qū)域，為廠家優(yōu)化改進提供依據(jù)[2]。本文以該廠生產(chǎn)的重型自卸車副車架為原型，建立計算仿真模型，分別對該副車架在不同工況下進行靜力分析。

1副車架計算模型

1.1副車架

自卸車主要由主車架、副車架、駕駛室、貨箱、液壓舉升裝置、發(fā)動機等組成。副車架作為汽車的主要承載體，也是貨廂與汽車主車架之間的緩沖帶，能有效避免應(yīng)力集中對主車架造成的傷害，避免貨物和貨箱對主車架的直接沖擊，延長汽車使用壽命[3]。因此副車架的設(shè)計是整車設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。

某廠生產(chǎn)的邊梁式自卸車副車架由2根縱梁、5根橫梁(包含1根管梁)組成?？v梁采用厚度為10 mm的薄壁箱型梁，橫梁采用厚度為10 mm的槽鋼，橫梁與縱梁通過焊接結(jié)合在一起。

該副車架材料為Q345b型鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-3g/mm3，屈服強度極限為345 MPa。

1.2建模

根據(jù)廠家提供的參數(shù)，利用SOLIDWORKS軟件建立副車架模型。建模時：

1)忽略模型中的非承載件，對不需特別關(guān)注的細(xì)節(jié)(如橫梁倒角、細(xì)小螺栓孔)予以省略[5]；

2)認(rèn)為結(jié)構(gòu)中的焊接是理想焊接，即焊接區(qū)域材料與其他區(qū)域相同[6]；

3)材料參數(shù)按照理想彈塑性進行設(shè)置。

將建好的模型導(dǎo)入ABAQUS中并進行修補后完成幾何模型的建立。利用ABAQUS中的自帶功能對副車架進行剖分后劃分網(wǎng)格，為了提高分析精度，模型使用8節(jié)點六面線性減縮積分單元C3D8R，該單元得到的位移和應(yīng)力比較準(zhǔn)確[7]，同時該單元類型在對結(jié)構(gòu)進行彎曲工況計算時效率較高。為了防止沙漏產(chǎn)生，控制網(wǎng)格大小為0.01 m，劃分后共產(chǎn)生52 500個節(jié)點，32 495個單元。

1.3邊界條件及載荷工況

圖1　副車架的約束

副車架安裝在主車架上，汽車懸掛和輪胎與主車架相連，不與副車架直接接觸，中后兩橋采用聯(lián)合懸掛與車輪連接。對副車架進行靜力分析時，在車架前橋兩個輪胎向副車架下表面投影處設(shè)置約束(如圖1中A1、A2點所示)，中后兩橋聯(lián)合懸掛中心線位置向副車架下表面投影處設(shè)置約束(如圖1中B1、B2點所示)[8]。進行等效后副車架前方A1、A2區(qū)約束面積為24 000 mm2，距離車架后端面4 510 mm，后方B1、B2區(qū)約束面積為8 000 mm2，距離車架后端面60 mm，具體約束情況根據(jù)載荷工況進行設(shè)定。

該自卸車主要用于野外作業(yè)，作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，通過分析車輛的行駛路況和運輸情況，對副車架的靜力分析主要考慮以下幾種情況：

1)彎曲工況。模擬車輛滿載時在平路上行駛或靜止的狀態(tài)。車輛滿載時副車架承受全部靜載荷，通過彎曲工況分析可以得到副車架的應(yīng)力分布情況[9]。車輛總質(zhì)量為整備質(zhì)量、額定載質(zhì)量和乘員座椅質(zhì)量之和，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，該車總質(zhì)量為25 000 kg(整備質(zhì)量為12 450 kg，額定載質(zhì)量為12 420 kg，額定駕乘人員2人)?？紤]到日常超載情況的發(fā)生，在滿載基礎(chǔ)上將模擬載荷增加25%。將滿載質(zhì)量以均布載荷的形式作用在兩縱梁上。

2)扭轉(zhuǎn)工況。模擬自卸車滿載時在崎嶇不平的路面上行駛，即車輛一個或多個輪子在不同平面，車輛發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的狀態(tài)[10]。結(jié)合具體行駛路況，保持滿載載荷不變，使車輛左前輪下陷位移10 mm，其他車輪保持同一平面來實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)工況。

3)卸載工況。卸載是在彎曲工況的基礎(chǔ)上，油缸將車廂慢慢頂起，貨物脫離貨廂的漸變過程[11]。在卸載過程中，油缸處于舉升初始狀態(tài)時，各鉸支點靜摩擦力矩最大，所以需要舉升力也最大，對副車架產(chǎn)生的反力也最大[12]。此時，將4個車輪全部約束，通過靜力平衡方程分別求出油缸支座和后翻轉(zhuǎn)軸支座的作用力，并將該力對應(yīng)施加到油缸及后翻轉(zhuǎn)軸處。

2計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

自卸車副車架所用Q345b型鋼材料屬于塑性材料，用第四強度理論進行強度校核[11]，在ABAQUS中選用Mises應(yīng)力判斷車架強度。

約束前后輪6個方向的自由度，模擬車輛在平坦路面上的行駛或靜止?fàn)顟B(tài)。采用ABAQUS軟件進行靜力分析，得到彎曲工況下副車架的應(yīng)力云圖與位移云圖如圖2、3所示。由圖2、3可以得出，副車架在超載25%的彎曲工況下產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為227.9 MPa，同時產(chǎn)生的最大位移為4.195 mm。最大應(yīng)力和位移主要集中在車架前中部的管梁附近。

圖2　彎曲工況應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　彎曲工況位移云圖

對左前輪y方向設(shè)置-10 mm的位移邊界條件，約束其他車輪6個方向的自由度，得到副車架扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)力云圖與位移云圖，如圖4、5所示。由圖4、5可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為270.1 MPa，最大位移為10.950 mm。較大應(yīng)力仍處于副車架前中部管梁處，副車架左前方有較大的變形。

圖4　扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　圖5　扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

分別約束前、后輪6個方向的自由度，模擬車輛處于平坦路面，同時將力施加在油缸及后翻轉(zhuǎn)軸處，得到副車架卸載工況的應(yīng)力云圖與位移云圖，如圖6、7所示。由圖6、7可以看出卸載工況副車架產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為228.1 MPa，最大位移為5.51 mm，最大位移主要集中在管梁上。

通過對自卸車副車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、卸載3種工況下的模擬可知，副車架在超出額定載質(zhì)量25%的載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力沒有超出材料的屈服極限，且安全系數(shù)都大于1.2，所以滿足車輛設(shè)計運行安全要求。

圖8　part路徑圖

為了觀察縱梁在3種工況下不同位置應(yīng)力和位移的變化，從縱梁前部開始每隔0.02 m設(shè)置1個參考點，設(shè)置part路徑如圖8所示，并對路徑上有橫梁加強的區(qū)域進行特殊標(biāo)記。3種工況下副車架的等效應(yīng)力、位移隨路徑的變化曲線如圖9、10所示。由圖9、10可知：在part路徑上，3種工況下產(chǎn)生的等效應(yīng)力比較接近，且沒有較小應(yīng)力情況出現(xiàn)，說明該副車架在結(jié)構(gòu)設(shè)計時材料利用比較合理，但是卸載工況產(chǎn)生的等效應(yīng)力和位移最大，原因是卸載工況時外載荷直接作用在管梁的油缸支座上和后翻轉(zhuǎn)軸上，容易形成應(yīng)力相對集中，因此在縱梁上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力和位移。

圖9　3種工況下副車架等效應(yīng)力隨路徑的變化曲線　　　　圖10　3種工況下副車架位移隨路徑的變化曲線

就某一工況的曲線分析，副車架前方到管梁之間的應(yīng)力和位移比較大，如果在載質(zhì)量遠超出額定載質(zhì)量或車輛長時間運行發(fā)生疲勞破壞時，該處最容易發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生安全事故，因此應(yīng)結(jié)合實例，可以在此處增加橫梁或安裝X型加強板以增加副車架的使用壽命。

3結(jié)論

1)建立自卸車副車架的有限元模型，利用ABAQUS軟件對其進行3種工況下的靜力分析，結(jié)果表明，該自卸車在3種工況下產(chǎn)生的應(yīng)力沒有超出材料的屈服極限，滿足車輛設(shè)計運行安全要求。

2)3種工況下，副車架受力比較接近，但副車架前中部管梁處應(yīng)力和位移都比較大，容易產(chǎn)生疲勞破壞，在后期優(yōu)化改進中應(yīng)考慮增加該處強度。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Strength Analysis of Sub-Frame of Heavy-Duty Dump Truck by ABAQUS

WANGXuzhou1，YANGLu1*，LIQingjiang2，WEIBenxue3

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China;

2.Dean′sOffice，HezeUniversity，Heze274015,China; 3.CarBusinessDepartment，ShandongWuzhengCO.,Ltd.，Rizhao262306,China)

Abstract:For the situation of local fatigue crack appeared in the sub-frame of a dump truck after prolonged use, a calculation model is established to carry out static analysis to the sub-frame in different conditions by ABAQUS finite element software. In three typical working conditions, the results show that equivalent stresses generated by sub-frame are close to each other, with the maximum at 270.1 MPa in twisting condition, and the safety factor is 1.26, which meets the strength requirements. But the displacement of tube beam in the middle of the front frame is obvious with high stress concentration. Fatigue fracture may occur after prolonged use. The data of simulation analysis can provide theory and technology guidance to optimization and improvement design of heavy-duty dump truck sub-frame.

Key words:sub-frame; fatigue crack; static analysis; optimization and improvement

文章編號：1672-0032(2015)04-0013-04

中圖分類號：U463.32

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.004

作者簡介：王許州(1989—)，男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為機械機構(gòu)設(shè)計及分析；*楊璐(1973—)，女，山東萊州人，教授，工學(xué)博士，主要研究方向為混凝土彈塑性損傷本構(gòu)和ABAQUS的數(shù)值模擬.

基金項目：國家自然科學(xué) (111021181)；遼寧省“百千萬”人才基金資助項目(2011921048)

收稿日期：2015-09-16