基于HyperWorks的某重卡車架開裂分析及改進

洪章仁，邵剛，殷寒寒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某重卡車架開裂分析及改進

洪章仁，邵剛，殷寒寒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車架是重卡各總成的安裝基體，它將發(fā)動機、車身和其他總成件連成一個有機的整體。文章針對某重卡車架開裂開裂問題，模擬車架使用工況進行靜強度分析。以某一個重卡車架做為研究對象，采用UG三維建模軟件進行建模，運用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進行試驗模擬，分析車架開裂原因，運用同樣方法對改進方案進行有限元分析，確認整改方案并實施。

車架總成；UG；Altair HyperWorks12.0；有限元分析

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-111-03

引言

車架是整車的基體，商用車絕大多數(shù)總成件（如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機構(gòu)）都固定在車架上。車架支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。這些載荷致使車架產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形和疲勞斷裂。連接的總成件多，再加上復雜的路況，使得車架在整車系統(tǒng)中受力復雜。傳統(tǒng)的計算方法一般只計算縱梁的彎曲截面系數(shù)并估算彎曲應力，無法準確計算車架整體或局部應力。汽車開發(fā)中，車架總成的可靠性驗證一般依托整車可靠性路試實現(xiàn)，成本大、周期長。而采用有限元分析能夠在新產(chǎn)品設(shè)計初期模擬車架總成受到的載荷以及各種工況，分析車架的模態(tài)、強度、剛度等，降低設(shè)計成本并縮短設(shè)計周期。在解決車架實際問題上，有限元分析方法能夠直觀查看車架應力云圖等，從而制定改進方案，再回頭與原方案進行對比分析，確認改進方案是否有效，大大提升了解決問題的準確性和時效性。

1 概述

市場反饋，某重卡車架縱梁上翼面開裂，開裂部位為駕駛室后支撐前端，見圖1。經(jīng)調(diào)查該車型為運礦車，行駛路況復雜，且經(jīng)常往返高速公路，基本不超載。本文以該車架總成為研究對象，采用UG三維建模軟件進行建模，運用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進行載荷和工況模擬，根據(jù)分析結(jié)果制定改進方案，通過對比分析對比找出最優(yōu)方案。

圖1 車架縱梁開裂

2 車架總成三維建模

表1 車架總成參數(shù)

圖2 車架總成的三維實體模型

3 車架總成有限元分析

3.1 車架三維模型和網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分前對車架總成模型進行簡化。分析目的是確認車架縱梁應力情況，因此簡化了懸架支架，對小尺寸結(jié)構(gòu)進行簡化處理，如小孔、小圓角等，從而減少網(wǎng)格數(shù)量。

車架總成大部分零部件是等厚板材，抽取中性面將實體轉(zhuǎn)化為片體進行平面網(wǎng)格劃分。鑄件以及部分結(jié)構(gòu)復雜的零件劃分為實體網(wǎng)格。

表2 網(wǎng)格參數(shù)

3.2 定義材料屬性

車架總成零件材料為B510L，其力學性能如下表所示：

表3 材料的屬性

3.3 縱梁橫梁的連接及板簧的簡化

縱梁和橫梁采用鉚接連接，強度較大而且可靠性較高。在模型建立過程中用CBEAM的圓柱體單元模擬鉚釘連接。

前后懸架板簧單元采用spring單元模擬，并對板簧支架、吊耳位置進行約束。

3.4 施加約束條件及載荷

選擇車架上的主要載荷，以質(zhì)量點的形式施加集中載荷。根據(jù)經(jīng)驗，選擇合適加速度以重力場形式模擬各種工況。扭轉(zhuǎn)工況中，以釋放一橋單邊輪自由度的形式來模擬車架單輪懸空。

圖3 施加約束條件及載荷

表4 各主要載荷質(zhì)量

表5 各模擬工況重力場施加

3.5 車架總成斷裂位置局部應力分布結(jié)果

經(jīng)分析，在垂直沖擊工況下，縱梁翼面最大應力超過了材料的屈服極限。應力最大點在懸置支架螺栓孔上，與實際開裂位置一致。

圖4 改進措施

4 優(yōu)化改進

根據(jù)上述分析，垂直沖擊工況下，發(fā)動機懸置支架位置縱梁上下翼面最大應力超過了材料屈服應力，是造成縱梁開裂的主要原因。同時縱梁加強板未起到加強發(fā)動機懸置位置縱梁的作用。針對該情況，提出兩種改進措施：

（1）重新設(shè)計發(fā)動機懸置支架，改為腹面連接；

（2）縱梁加固板加長到發(fā)動機懸置支架位置。

4.1 有限元分析

同時采取兩種改進措施，調(diào)整模型后重新進行有限元分析。分析結(jié)果如下：

表7 改進后局部應力分布

4.2 結(jié)果對比

從表6、表7中可以看出，改進后所有工況最大應力都沒有超過屈服應力，能夠滿足設(shè)計要求。垂直沖擊最大應力發(fā)生位置從縱梁上下翼面轉(zhuǎn)移到腹面，最大應力值從362.1MPa減小到289.7MPa，有明顯改善。扭轉(zhuǎn)工況最大應力大幅減小，驅(qū)動工況輕微減小。制動和轉(zhuǎn)向工況應力有一定的增加，但安全系數(shù)都比較高。

表8 結(jié)果對比

5 結(jié)論

該改進方案已實施并經(jīng)市場驗證，徹底解決了該車架縱梁開裂問題。本文通過Altair HyperWorks12.0對車架進行了靜強度有限元分析，得到了車架在各工況下的應力分布云圖。根據(jù)應力云圖制定改進方案并重新進行有限元分析，改進后的應力分布情況相對改進前有明顯的改善。說明在垂直沖擊等工況下，縱梁上下翼面是薄弱位置。在車架設(shè)計中，應盡量將發(fā)動機懸置等集中載荷從縱梁上下翼面轉(zhuǎn)移到縱梁腹面上。

[1] 張賽威.基于ANSYS workbech的車輪疲勞強度分析[J].汽車實用技術(shù).2014.1.39-40.

[2] 李波.車架靜強度分析[J].科學技術(shù)與工程. 2011.34.

[3] 孫海霞.工礦自卸車車架強度有限元分析[Z].中國制造業(yè)信息化. 2011.

[4] 智晉寧.基于Hypermesh的輕型貨車車架動態(tài)特性有限元分析[J].太原科技大學學報2011.4-32卷.

[5] 崔海偉.鉚接車架結(jié)構(gòu)有限元分析.山東理工大學.2013.

[6] 汪偉.車架有限元建模及模態(tài)分析[J].機械社計與制造2009.11.53-55.

[7] 黃超群.貨車車架縱梁異常開裂分析及結(jié)構(gòu)改進.現(xiàn)在制造工程. 2010.6.86-88.

Analysis And Improvement of AHeavy Truck Frame Based on HyperWorks

Hong Zhangren, Shao Gang, Yin Hanhan
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Frame is the mounting base of each assembly of heavy truck. It connects the engine, body and other parts into an organic whole. In this paper, the static strength analysis of a heavy truck frame cracking and cracking problem is carried out by simulating the service conditions of the frame. A heavy truck frame as the research object, modeling using UG 3D modeling software, the simulation test using Altair finite element analysis software HyperWorks12.0 analysis frame cracking using the same method, the finite element analysis of the improved scheme, confirm the rectification scheme and implementation.

Frame assembly; UG; AltairHyperWorks12.0; Finite Element Analysis

U472.4

A

1671-7988 (2017)13-111-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.038

洪章仁，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。