基于HyperMesh的某液壓減震車(chē)車(chē)架有限元分析

周 青，陳靖芯，李 紅，鄭再象

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

在汽車(chē)底盤(pán)中，車(chē)架承載著其他許多重要總成部件的質(zhì)量，是主要的承載部件，同時(shí)，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)架將承受來(lái)自車(chē)內(nèi)外的各種載荷的作用。因此，在車(chē)輛整體設(shè)計(jì)中，保證車(chē)架有足夠的強(qiáng)度和剛度至關(guān)重要。與以往的汽車(chē)設(shè)計(jì)中使用樣車(chē)作參考相比，使用有限元法對(duì)車(chē)架的力學(xué)性能進(jìn)行分析，不僅可使設(shè)計(jì)周期縮短、研制費(fèi)用降低，而且在設(shè)計(jì)的初期就能對(duì)車(chē)架的強(qiáng)度、剛度以及振型有充分的了解。本文利用有限元軟件HyperMesh對(duì)某液壓減震車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

1 液壓減震車(chē)設(shè)計(jì)

1.1 液壓減震車(chē)的使用環(huán)境及功能

某型液壓減震車(chē)主要是在機(jī)場(chǎng)等路面條件較好的特殊路況下使用，其主要的用途是在狹窄低矮的空間中全方位移動(dòng)、運(yùn)輸一些大型重要的貨物，同時(shí)能夠平穩(wěn)地將貨物舉升到一定的高度，并能夠精確地調(diào)整物體的位置。其最主要的功能是能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)方向自由度的運(yùn)動(dòng)，并且將以前依靠人力拖拉行走模式改成靠電池驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化控制模式，從而盡最大可能減少工作人員的數(shù)量。

1.2 液壓減震車(chē)底盤(pán)的設(shè)計(jì)

由于液壓減震車(chē)是在狹窄、低矮的作業(yè)環(huán)境中使用，故要求整車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊并且最小離地間隙盡可能小，其底盤(pán)結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。因?yàn)橐簤簻p震車(chē)是以電池帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了滿足電池組的擺放空間，在第三橫梁與第四橫梁、第四橫梁與第五橫梁間的空間擺放電池；在第二橫梁與第三橫梁之間擺放液壓雙剪式舉升平臺(tái)，用于裝載和舉升貨物。整車(chē)在設(shè)計(jì)中采用單縱臂式獨(dú)立懸架系統(tǒng)，由于本車(chē)無(wú)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向依靠四個(gè)Mecanum輪［1］實(shí)現(xiàn)全方位任意角度移動(dòng)和本地旋轉(zhuǎn)。

圖1 液壓減震車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)三維模型

目前，汽車(chē)車(chē)架基本上有四種結(jié)構(gòu)形式：邊梁式、周邊式、中梁式（或是稱為脊骨式）以及綜合式。在設(shè)計(jì)車(chē)架結(jié)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)滿足汽車(chē)的總布置要求，使固定在車(chē)架上的各部件和總成之間不產(chǎn)生干涉。本液壓減震車(chē)車(chē)架采用的是周邊式結(jié)構(gòu)，主要由前端兩根縱梁、中部?jī)筛v梁、后端兩根縱梁以及若干根橫梁構(gòu)成，使用鉚接、焊接或螺栓連接的方式將車(chē)架的縱梁和橫梁連接起來(lái)，組成堅(jiān)固的剛性結(jié)構(gòu)。

2 車(chē)架有限元分析

2.1 車(chē)架有限元分析模型的建立

將在CATIA軟件中建立的車(chē)架結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型保存為IGS格式的文件并導(dǎo)入HyperMesh軟件中，在HyperMesh中進(jìn)行有限元分析的前處理，建立車(chē)架的有限元分析模型。有限元前處理主要包括以下幾個(gè)方面：①忽略車(chē)架上的一些非承載部件和功能件，比如工藝孔、緩沖座、倒角、圓角等；②對(duì)于有些加強(qiáng)肋或帶凸緣的部件，利用等剛度的原則進(jìn)行等效處理；③車(chē)架主要承受自身載荷和有效載荷，將復(fù)雜的載荷用等效載荷替代，從而簡(jiǎn)化計(jì)算，又不影響準(zhǔn)確性。

2.2 網(wǎng)格劃分

液壓減震車(chē)車(chē)架的縱梁和橫梁是由薄壁件構(gòu)成，因此對(duì)車(chē)架實(shí)體模型抽取中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用的單元類型為板殼單元，網(wǎng)格大小為10mm～30mm。對(duì)重要部位，比如孔、約束處、連接位置等網(wǎng)格劃分得細(xì)密點(diǎn)。網(wǎng)格劃分后車(chē)架有限元模型共有392 631個(gè)節(jié)點(diǎn)，148 546個(gè)PShell殼單元，160 054個(gè)PSolid實(shí)體單元，4個(gè)Spring彈簧單元，24個(gè)PBar桿單元，511個(gè)Rigid或Rigidlinks剛性單元及5個(gè)Mass質(zhì)量單元。車(chē)架有限元分析模型如圖2所示。

圖2 車(chē)架有限元分析模型

2.3 定義材料屬性

液壓減震車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)所用的材料為16Mn鋼，其力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 830kg/m3，最小屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為510MPa～600MPa。

2.4 工況的選取

根據(jù)車(chē)輛實(shí)際行駛狀態(tài)下的受力情況，對(duì)靜力分析一般僅考慮彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況［2］。各工況采用相同或者是不同的邊界條件，約束剛體位移，同時(shí)對(duì)載荷引起的不平衡力進(jìn)行約束。針對(duì)這兩種工況，在滿載彎曲工況下選取的動(dòng)載荷系數(shù)為2.5［3］，在扭轉(zhuǎn)工況下選取的動(dòng)載荷系數(shù)為1.3。兩種工況的約束情況如圖3所示。圖3中，圓圈為施加約束位置，數(shù)字1表示x方向的約束，2表示y方向的約束，3表示z方向的約束。

圖3 滿載彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的約束情況

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 滿載彎曲工況

通常車(chē)架的最大彎曲撓度f(wàn)應(yīng)該小于10mm［4］。由于液壓減震車(chē)的特殊用途，在彎曲工況下，主要考慮貨物舉升前、貨物舉升瞬間和貨物舉升至最高位置時(shí)三個(gè)工作狀態(tài)下的位移與應(yīng)力情況。圖4為車(chē)架在上述三種工作狀態(tài)下的位移分布云圖。由圖4可以看出，車(chē)架的最大變形主要發(fā)生在第三橫梁處，三種狀態(tài)下的最大變形量分別是2.068mm、2.007mm 和2.217mm，遠(yuǎn)小于10mm的參照值，說(shuō)明車(chē)架的抗彎曲變形能力較強(qiáng)。

圖4 滿載時(shí)車(chē)架在三種工作狀態(tài)下的位移分布云圖

圖5、圖6和圖7分別為車(chē)架在上述三種情況下的應(yīng)力分布云圖。從這圖5～圖7中可以看出，三種工作狀態(tài)下的車(chē)架最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在第三橫梁與第二縱梁的連接位置，其最大值分別為279.1MPa、273.9MPa、264.9MPa，均小于車(chē)架所選材料的許用應(yīng)力（該車(chē)架選取的16Mn材料的屈服強(qiáng)度為345MPa），其余部位的應(yīng)力值大多在100MPa以下。通過(guò)這些分析可以看出，車(chē)架結(jié)構(gòu)可以滿足液壓減震車(chē)在滿載彎曲工況下的強(qiáng)度要求。

圖5 滿載舉升前車(chē)架應(yīng)力分布云圖

圖6 滿載舉升瞬間車(chē)架應(yīng)力分布云圖

圖7 滿載舉升至最高點(diǎn)時(shí)車(chē)架應(yīng)力分布云圖

3.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

由于車(chē)輛在滿載扭轉(zhuǎn)工況條件下，一般都是在低速情況下在崎嶇不平的路面上行駛，因此此時(shí)車(chē)輛所受的慣性載荷也是較小的，因此本文選取的滿載扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載荷系數(shù)為1.3［5］。根據(jù)液壓減震車(chē)的工作環(huán)境以及使用條件等因數(shù)，主要考慮車(chē)輛在滿載條件下，舉升前車(chē)架的滿載扭轉(zhuǎn)工況。

圖8、圖9分別為車(chē)架在滿載扭轉(zhuǎn)工況下的位移分布情況和應(yīng)力分布情況。從圖8可以看到車(chē)架最大位移為5.76mm。從圖9中可以看到此時(shí)車(chē)架的最大應(yīng)力為298.9MPa，發(fā)生的位置在第三橫梁與第二縱梁連接處，其余位置的應(yīng)力大多在80MPa以下。由于車(chē)架選用材料的屈服強(qiáng)度為345MPa，可以得到車(chē)架的安全系數(shù)為1.15，可以保證車(chē)輛在其設(shè)計(jì)要求的特殊路面上正常行駛。

圖8 滿載扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)架的位移分布圖

圖9 滿載扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)架的應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件HyperMesh對(duì)液壓減震車(chē)車(chē)架的滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況進(jìn)行了靜力學(xué)有限元分析。從計(jì)算結(jié)果可以看出，該特種車(chē)車(chē)架的大部分應(yīng)力遠(yuǎn)低于車(chē)架所選用材料的屈服強(qiáng)度，表明該車(chē)架結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。在車(chē)輛車(chē)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，預(yù)先通過(guò)有限元軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行分析計(jì)算，從而獲得車(chē)架的強(qiáng)度和剛度等特性，可以在很大程度上縮短研發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

［1］劉洲，吳洪濤.Mecanum四輪全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真［J］.現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2011，40（5）：43－46.

［2］梁明智.大型貨車(chē)車(chē)架有限元靜態(tài)特性分析及試驗(yàn)研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（34）：92.

［3］馮國(guó)勝.客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999，35（1）：91－95.

［4］劉維信.汽車(chē)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［5］吳湘燕.客車(chē)車(chē)身有限元強(qiáng)度分析載荷條件的確定［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997，33（5）：83－87.