基于HYPERWORKS的某客車車架有限元分析

1、基于HYPERWORKS 的某客車車架有限元分析*呂東升王東方蘇小平（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210009）A static research of bus frame based on HYPERWORKSLV Dong-sheng ，WANG Dong-fang ，SU Xiao-ping（College of Mechanical &Power Engineering ，Nanjing University of Technology ，Nanjing 210009，China ）文章編號(hào)：1001-3997（2011）03-0011-02【摘要】車架是汽車重要的基礎(chǔ)

2、部件之一，須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。應(yīng)用HYPERWORKS 建立了車架的有限元模型，根據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行的受力分析，施加了合理的約束條件和載荷，對(duì)車架最為典型的四種工況進(jìn)行了靜力學(xué)研究，并根據(jù)車架的應(yīng)力應(yīng)變云圖，預(yù)測出車架的薄弱部位，提出了前瞻性的建議，為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了非常重要的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：HYPERWORKS ；車架；靜力分析【Abstract 】Frame is one of automobile s most important basic component ，which needs sufficient strength and stiffness.A fin

3、ite element model of frame was established through HYPERWORKS software ，reasonable constraint conditions and load was imposed on the finite element model according to the me chanical analysis ，and the most significant four operating conditions of the frame was analyzed through static method.The stre

4、ss-strain contour of the frame was obtained ；Finally ，the weak parts of the frame was pre dicted ，and several predictable suggestions were opposed ，which provides important theory foundation for the optimizing design and structure improvement of the frame.Key words ：HYPERWORKS ；Frame ；Static analysi

5、s中圖分類號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A來稿日期：2010-05-08基金項(xiàng)目：江蘇高校高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展項(xiàng)目（JHB05-19）1引言傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程是一個(gè)人工反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程。工程師借助CAD 工具進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，接著提交工廠進(jìn)行加工制造，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。如果產(chǎn)品不能滿足功能要求或失效，就需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，甚至重新設(shè)計(jì)，如此反復(fù)，直到產(chǎn)品在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中滿足全部要求為止。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，CAE 技術(shù)的日益成熟，各種數(shù)值仿真方法，如有限元、多體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到大量的應(yīng)用。產(chǎn)品在完成初步設(shè)計(jì)后，可以基于CAD 模型進(jìn)行產(chǎn)品性能的虛擬實(shí)驗(yàn)，初步檢

6、驗(yàn)其工作應(yīng)力、運(yùn)動(dòng)過程、產(chǎn)品壽命等。如果產(chǎn)品不能滿足要求，可以立即返回給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)，從而大大縮短試驗(yàn)周期和降低費(fèi)用。車架是跨接在汽車前后車橋上的橋梁式結(jié)構(gòu)，它是整個(gè)汽車的基礎(chǔ)，其上裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸、前后橋、車身等總成部件，是汽車車架重要的承載件，它承受的載荷包括自身的質(zhì)量，和行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊、扭曲和慣性力等，因此其對(duì)強(qiáng)度、抗沖擊性、疲勞強(qiáng)度及可靠性方面都有很高的要求，所以對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析是很有必要的。2車架受力分析車架的受力主要按照四種危險(xiǎn)工況來進(jìn)行分析計(jì)算，分別為滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和緊急轉(zhuǎn)彎工況。車架的受力情況按方向主要分為垂直載荷、縱向載荷和側(cè)向

7、載荷三個(gè)方向。根據(jù)車輛行駛工程中受力分析可得：滿載彎曲工況為垂直載荷單獨(dú)作用的工況；滿載扭轉(zhuǎn)工況為垂直載荷和側(cè)向載荷的組合工況；緊急制動(dòng)工況為垂直載荷和縱向載荷共同作用的組合工況；緊急轉(zhuǎn)彎工況為垂直載荷、縱向載荷和側(cè)向載荷共同作用的組合工況。其中，彎曲載荷主要是由車身、車載設(shè)備、乘客和貨物等的質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生，彎曲工況下汽車四輪均著地；扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生于路面不平度對(duì)車身造成的非對(duì)稱支承，作為對(duì)比計(jì)算，可以用靜態(tài)最大可能的扭矩，即一個(gè)前輪懸空的極限狀態(tài)或一輪騎障的情況模擬；側(cè)向載荷主要是由汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動(dòng)時(shí)的慣性力的作用而產(chǎn)生的。3車架有限元模型的

8、建立設(shè)計(jì)所選用的依維柯41.10型A50客車的總裝備重量為5t ，車架的結(jié)構(gòu)是典型的邊梁式車架結(jié)構(gòu)，由兩根縱梁及六根橫梁鉚接而成，前后等寬，寬度為862mm ，車架縱梁長5420mm 。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種有限元軟件都能對(duì)車架進(jìn)行合理的模擬分析，考慮到HYPERWORKS 的速度、靈活性和用戶化功能，運(yùn)用HYPERWORKS 建立了依維柯某客車車架的有限元模型，然后對(duì)有限元模型施加約束條件和載荷進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算。由于有限元結(jié)構(gòu)分析只是對(duì)真實(shí)情況的近似，因此在建立有限元模型之前對(duì)車架幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，在HYPERWORKS 中利用geometry cleanup 和def

9、eature 等菜單中的各項(xiàng)功能對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，經(jīng)過這些步驟之后可以清除一些損壞的幾何特征，刪除一些對(duì)結(jié)構(gòu)分析只產(chǎn)生局部較小影響的細(xì)節(jié)，如倒角、圓角、局部小孔，刪除這些較小的細(xì)節(jié)可以大大減Machinery Design Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第3期2011年3月11小有限元分析的計(jì)算量和求解時(shí)間，而不會(huì)影響到分析結(jié)果的精度。完成后的整個(gè)車架有限元模型被劃分為120544個(gè)殼體單元，車架模型中共有1587個(gè)焊點(diǎn)。車架采用的材料為16Mn ，特性參數(shù)：E =206Gpa，=7.82×10-6kg/mm3，=0.28。對(duì)該車架有限元模型所施加的約束和載荷14如表1所示。

10、表1施加的約束和載荷狀況工況對(duì)車架有限元模型施加的約束和載荷滿載彎曲約束前輪的三個(gè)平動(dòng)自由度UX 、UY 、UZ ，釋放前輪的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROTX 、ROTY 、ROTZ ；后輪需要約束豎直方向的平動(dòng)自由度UY ，釋放其余所有自由度滿載扭轉(zhuǎn)模擬汽車懸空時(shí)施加在車架上的扭矩的工況，對(duì)左前輪UX ，UY ，UZ 三個(gè)方向自由度和右前輪UX ，UY 兩個(gè)方向自由度，其它兩輪UY 方向自由度進(jìn)行約束緊急制動(dòng)對(duì)兩前輪的UX ，UY ，UZ 三個(gè)方向自由度和后輪的UX ，UY 兩個(gè)方向的自由度進(jìn)行約束，釋放車輪的其余自由度；在車架上施加一個(gè)縱向0.6g 的制動(dòng)減速度緊急轉(zhuǎn)彎對(duì)左前輪的UX ，UY ，UZ

11、 三個(gè)方向自由度和右前輪的UX ，UY 兩個(gè)方向自由度，以及兩后輪的UY 方向自由度進(jìn)行約束，釋放車輪的其余自由度；在橫向（Z 軸正方向）施加一個(gè)側(cè)向加速度0.5g 和在縱向（X 軸正方向）施加一個(gè)減速加速度0.5g 來模擬左轉(zhuǎn)彎工況。4計(jì)算結(jié)果及分析針對(duì)上述四種工況，分別對(duì)車架有限元模型施加相應(yīng)的自由度約束，并對(duì)車架施加各種載荷，在有限元軟件HYPERWORKS 中對(duì)車架在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行各工況下的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算。在該四種工況下，經(jīng)HYPERWORKS 計(jì)算所生成的云圖結(jié)果，如圖16所示。各工況最大應(yīng)力和車架最大位移，如表2所示。Contour Plot （Analasis system ）S

12、tress （vonMises ，Max ）1.915E+021.703E+021.490E+021.277E+021.064E+028.513E+016.385E+014.257E+012.128E+017.618E+04NoresultMax=1.915E+02（Shell34278）Min=7.618E-04（Shell50011）X Y圖1滿載彎曲工況下的車架應(yīng)力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）2.680E+022.384E+022.086E+021.788E+021.490E+021.192E+028.

13、941E+015.960E+012.980E+014.905E-04NoresultMax=2.682E+02（Shell66192）Min=4.905E-04（Shell23698）X Y圖2滿載扭轉(zhuǎn)工況下的車架應(yīng)力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Displacement （Mag ）5.991E+005.325E+004.660E+003.994E+003.328E+002.663E+001.997E+001.331E+006.657E-010.000E+00NoresultMax=5.991E+00（Node 74013）Min=0.000E-00（N

14、ode 55889）ZX Y圖3滿載扭轉(zhuǎn)工況下的車架位移分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）2.467E+022.193E+021.919E+021.645E+021.371E+021.097E+028.224E+015.483E+012.741E+015.652E+01NoresultMax=2.467E+02（Shell 25893）Min=5.652E-04（Shell 15011）Z XY 圖4緊急制動(dòng)工況下的車架應(yīng)力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Displacement

15、 （Mag ）Max=6.075E+00（Node 27015）Min=0.000E-00（Node 24997）6.075E+005.400E+004.725E+004.050E+003.375E+002.700E+002.025E+001.350E+006.750E+000.000E+00Noresult ZX Y圖5緊急制動(dòng)工況下的車架位移分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）3.503E+023.114E+022.724E+022.335E+021.946E+021.557E+021.168E+027.784E

16、+013.892E+017.113E-04NoresultMax=3.503E+02（Shell 25893）Min=7.113E-04（Shell 15011）Z XY 圖6緊急轉(zhuǎn)彎工況下的車架應(yīng)力分布圖表2各工況應(yīng)力應(yīng)變分布位置工況最大應(yīng)力分布狀況最大位移分布狀況滿載彎曲主要集中在第2根橫梁和第4根橫梁之間。車架的最大應(yīng)力為191.5MPa ，位于約束的前后輪上最大位移為4.6mm ，位于縱梁中間，遠(yuǎn)小于汽車定型試驗(yàn)規(guī)程中所規(guī)定的最大變形參考值滿載扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力發(fā)生在車架的右前輪處，在車架的第1根橫梁和第2根橫梁之間最大應(yīng)力達(dá)到268.2MPa 最大變形量為6.0mm ，左縱梁的變形明顯大于

17、右縱梁的變形，而左縱梁前端和中間的變形量最大，此種情況屬于危險(xiǎn)情況緊急制動(dòng)車架的最大應(yīng)力為246.7MPa ，位于左右縱梁的前后懸架連接處，在第1根橫梁與第2根橫梁之間和第5根橫梁與第6根橫梁之間此工況下車架的變形量較大，最大變形量為6.0mm ，位于兩縱梁的中間與第2橫梁和第3橫梁上緊急轉(zhuǎn)彎車架的最大應(yīng)力為350.3MPa ，位于左右縱梁的前懸架連接處，在第1根橫梁與第2根橫梁之間車架的最大變形量為1.5mm ，位于車架的尾端，往前逐漸減小通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)該車車架的左右縱梁的懸架連接處在緊急轉(zhuǎn)彎工況下受到的最大應(yīng)力為350.3MPa ，為車架相對(duì)薄弱且應(yīng)力集中部位，可將其加厚（12）mm ，從而防止在使用過程中該部位斷裂或損壞情況的發(fā)生。車架縱梁其它位置的強(qiáng)度和剛度特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求，可以將其厚度適當(dāng)減?。?.51）mm ，以減輕整車質(zhì)量和節(jié)省材料。在四種工況中，滿載扭轉(zhuǎn)工況和緊急制動(dòng)工況下車架的變形量為6.0mm ，變形相對(duì)較大，容易造成車架的開裂，故而在汽車的行駛過程中要盡量避免該情況的發(fā)生57。5結(jié)語應(yīng)用HYPERWORKS 對(duì)汽車車架進(jìn)行強(qiáng)度有限元計(jì)算分析，由分析結(jié)果可知，利用計(jì)算機(jī)工程軟件進(jìn)行有限元計(jì)算能夠?qū)ζ囘M(jìn)行比較全面的分析，可以有效地減少試驗(yàn)周期，降低設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用，顯著減少了車型的開發(fā)周期，同時(shí)該計(jì)算也為車架的