基于有限元分析的某皮卡車車架應(yīng)力分析

基于有限元分析的某皮卡車車架應(yīng)力分析

有限元法是一種有效的數(shù)學計算方法。它能對幾何形狀不規(guī)則、載荷和支承情況復(fù)雜的各種機構(gòu)進行變形計算和應(yīng)力分析。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車的各項性能已經(jīng)越來越被汽車制造廠商所關(guān)注。CAE技術(shù)也作為一種比較有效的分析方法,在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛,車架結(jié)構(gòu)對皮卡車的各種性能有著直接的影響,因此本文作者針對某皮卡車車架的特點,以及車架在路面上行駛時可能出現(xiàn)的各種工況,采用CAD/CAE技術(shù)對車架作應(yīng)力分析,全面了解車架的應(yīng)力分布。通過反復(fù)的計算模擬,使改進后車架的剛度和強度等性能滿足分布合理的要求。1皮卡車車身的有限模型1.1簡化部件對皮卡車車架上不影響車架應(yīng)力分布和對車架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生應(yīng)力影響的部件進行簡化或者忽略,對于結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜的截面在不影響計算結(jié)果的前提下,進行必要的簡化。車架簡化后的結(jié)構(gòu)如圖1。1.2剛度和邊界條件皮卡車車架前懸架為麥佛遜懸架,前麥佛遜懸架采用螺旋彈簧模擬。后懸架采用鋼板彈簧。鋼板彈簧除了作彈性元件外,還起導向作用,因此其在各個方向上均有剛度,且其在其它方向上的剛度要比垂直方向上的剛度大得多。故用剛性梁-螺旋彈簧結(jié)構(gòu)模擬鋼板彈簧。等效圖如圖2所示。懸架彈簧剛度K用螺旋彈簧的剛度來等效;對于剛性梁,為使其受力時垂直位移遠小于螺旋彈簧的垂直位移,取其軸向剛度為5.0×10-5N/mm。剛性梁截面取正方形,面積由下式計算:A=5.0×105×LEA=5.0×105×LE式中:A為剛性梁的截面面積;L為剛性梁的長度,根據(jù)實際結(jié)構(gòu),取200mm;E為鋼的彈性模量;取2.06×105N/mm2。故取剛性梁截面邊長為22mm。皮卡車車架后懸架是鋼板彈簧,滿載時鋼板彈簧下沉50mm,運用虎克定律F=KL,其中F為滿載時的載荷,取4900N,K為螺旋彈簧剛度,L=50mm,所以得K=980N/mm。對于邊界條件的處理如下。彎曲工況下,四車輪Z向平動自由度被約束,左前輪另外自由度全部被約束,右前輪X向平動自由度和右后輪Y向平動自由度被約束。左輪懸空彎扭工況下,左前輪六個自由度全部被約束,右前輪X、Z向平動自由度和右后輪Y、Z向平動自由度被約束。1.3角形單元劃分借鑒以往建模的經(jīng)驗,設(shè)置車架的主體單元為shell63四邊形單元。用shell63四邊形單元將車架結(jié)構(gòu)進行初步離散化,由于在用四邊形單元進行劃分時,部分單元肯定會存在著形狀方面的問題,這時可以再將這些結(jié)構(gòu)采用三角形單元進行劃分,使車架所劃分的單元沒有形狀等問題。對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、應(yīng)力或應(yīng)變劇烈的部位,單元可以劃分得小一些(如在凹槽、孔洞、懸架附近等應(yīng)力集中的部位),最后得到的有限元模型如圖3。1.4u3000車架自稱重重力載荷車架的應(yīng)力應(yīng)變都與載荷有著直接的關(guān)系。如果車架載荷沒有得到合理處理,會對以后的計算結(jié)果造成較大的影響。車架的自重用重力載荷加載,其余的如車身質(zhì)量、滿載載荷、駕駛員質(zhì)量、乘員質(zhì)量、座椅質(zhì)量等都可以與發(fā)動機的質(zhì)量一起平均分布于車架的各個牛腿上,其中乘員和駕駛員質(zhì)量按70kg/人計算(乘員4人)。車架的各部分的載荷分布如表1所示。2計算差分和結(jié)果處理2.1車架變形的量測在本文中,利用有限元軟件對車架進行計算。鑒于我國的路面狀況一般為B級路面,車輛的行駛條件比較好,如果車架在彎扭工況下能滿足要求,那么車架在各種工況下都能安全運行。原始車架應(yīng)力分布圖如圖4。影響車架安全性能的除了應(yīng)力分布就是車架的變形。在進行車架變形的結(jié)果處理時,應(yīng)將彈簧元件的變形和車架的變形進行分離。在進行變形分離時,取車架上前懸架與車架連接的2個節(jié)點以及后懸架后吊耳的2個節(jié)點作為計算對象,節(jié)點分別為:3294、3295、6539、6540,分別計算前后2個相互交叉的節(jié)點之間的距離,與沒有變形之間的距離進行比較,得到它們之間的變形量。用該變形量的大小來衡量車架剛度狀況。原始車架剛度計算這些節(jié)點變形前后的坐標值見表2。按照前面說的方法可以求得變形量是26mm,可見車架的剛度不能滿足要求。2.2改進車架結(jié)構(gòu)根據(jù)原始車架的應(yīng)力分布和變形圖,確定在原始車架中存在可能破壞的危險截面,說明如下:①在該車架結(jié)構(gòu)中,彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力分布在縱梁和橫梁的連接處。這與汽車車架連接件之間的連接有關(guān),這些連接方案將在下面進行比較。②根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的制造工藝特點,兩根縱梁的彎曲部位以及后懸架前支撐節(jié)點上方的彎曲部位應(yīng)力也是最大應(yīng)力所在位置,存在的原因就是車架彎曲部位的結(jié)構(gòu)不夠合理,導致車架的應(yīng)力過分集中。③車架的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力主要是由橫梁A、B、C以及2根縱梁來承受,原始車架B橫梁中間部位存在一段缺口,用來安裝手札線,而B橫梁是主要的承載梁之一,通過應(yīng)力分析,該橫梁的截面缺陷導致了與B橫梁相連接的部位以及它本身應(yīng)力的集中,原始車架中的其他橫梁均存在剛度不足的缺點。提出以下改進方案:改進方案1先將主要承受彎扭應(yīng)力的橫梁A、B、C進行截面厚度的變化,將原始車架A、B、C橫梁的厚度由原來的3mm改為4mm。通過應(yīng)力分析和經(jīng)驗驗證,這樣可以提高車架的抗扭能力以及改善其應(yīng)力分布。改進方案2縱梁厚度由原來的4mm改為3mm,A梁的改進是在Z方向上增加長度,由原來的30mm改為50mm。B梁現(xiàn)在將其截面形狀進行如圖5所示的修改,而且不用在中間打開一段缺口。改進方案3原車架縱梁的面與面之間過渡用的是直角過渡使得車架在直角過渡部位存在著應(yīng)力集中,所以將車架中上述部位采用圓角過渡,這樣可以解決應(yīng)力過于集中的毛病。改進中采用圓角過渡,其圓角半徑為30mm。2.3板殼單元模型的焊接應(yīng)力對于車架的連接方式有焊接、剛接、螺栓連接或鉚接幾種形式,各種連接形式的簡化如圖6所示。所有模型均采用車架縱梁與橫梁連接的模型;施加的約束相同,施加的外力數(shù)值、方向相同。圖6是剛接和焊接有限元模型。從兩種連接方式中取連接處附近相同的節(jié)點號,將其應(yīng)力連接成一條比較平滑的曲線,如圖7所示。對于采用板殼單元模擬的車架的焊接模型,連接結(jié)構(gòu)上最大的應(yīng)力為27.185MPa,位于兩梁承受外力的焊點連接處,但其他地方的應(yīng)力小,整體應(yīng)力從圖中可以估計在2～3MPa之間。最大節(jié)點變形量為0.07mm,位置位于梁上承受外力一側(cè)的焊點附近區(qū)域。其他地方變形很小。比較這兩種連接方式,焊接和剛接模型所反映的應(yīng)力的分布和變化趨勢相同,但也可以看出,剛接和焊接兩種模型的最大變形區(qū)域不重合。所以用剛接結(jié)構(gòu)來代替實際車架中的焊接以及其他的連接方式是不合理的,當結(jié)構(gòu)復(fù)雜時,有可能產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。針對該皮卡車車架特點,為了提高模型計算的準確性,因此在改進的車架中采用焊接模型。2.4u3000改進前后車架彎扭應(yīng)力對比對照改進前后的結(jié)構(gòu)和分析所得到的結(jié)果,可以看出,車架的改進大大優(yōu)化了車架的應(yīng)力分布,最大應(yīng)力由原來的321.53MPa減為135MPa。圖8為改進后車架彎扭應(yīng)力分布圖。結(jié)構(gòu)改進后,車架上前懸架與車架連接的2個節(jié)點以及后懸架后吊耳的2個節(jié)點變形前后的坐標值見表3。按照前面方法可以求得變形量是:4.6mm。可見車架的剛度符合要求,說明車架的改進是有效的。3車架應(yīng)力分布(1)通過運用CAE技術(shù),可以知道原始車架在一定程度上存在著應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不合理的缺點。該車架最大