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文档简介
1、第卷第期煤矿机械年月”基于的中型货车车架有限元分析与优化钟佩思。辛纪光。刘凤景刘梅(山东科技大学先进制造技术研究中心,山东青岛)摘要:针对某类型货车在使用中车架易形成疲劳破坏和断裂,进行了该型车架相关的刚度分析和强度分析。应用瑚分析软件对车架有限元模型进行了模型的前后处理,得到车架在刚度与强度状况下的应力图和变形图。分析了车架的变形和应力状况,获得该类车架易受疲劳和强度破坏的薄弱环节,提出了合理的改进方案。通过车架改进前后的有限元分析比较,提出了车架的优化改进方案。关键词:车架;有限元分析;优化;瑚;刚度与强度中图分类号:聊文献标志码:文章编号:一()瑚一商。呜,呜一。彻明面即,蜘锄。眦)豫:
2、蛐粕咖西山锄既珊:;)币;锄哆引言载重货车车架,作为货车各大总成的载体,是重要的受力部件。车架工作时要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力,设计中足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度分析是至关重要的。在现实应用过程中,经常会出现车架强度和刚度不足导致的疲劳破坏和断裂。是一个高效的有限元前后处理器,能够建立各种复杂的有限元和有限差分模型,与多种和软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。珊环境下的结构静力分析,用来计算在固定不变的载荷作用下的响应,即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力等。利用珊的前后处理,对中型货车的车架进行有限元分析,并对车架不合理部位进行优化。车架
3、模型建立与瑚处理载货货车车厢和垫木都对车架结构起着加强作用,在进行车架结构强度刚度校核时,需考虑车箱底板和垫木对车架的强度加强作用。为满足其他非承载需要,对车架的某些附属结构,如挂钩、吊耳、圆孔等进行适当简化或者忽略。研究车架的结构,设计车架的形状和尺寸参数,利用软件,建立了车架的三维数字化模型,将车架实体模型导入珊中具有几何型面的网格自动化分模块,导入曲面数据时,有时存在缝隙、重叠、错位等缺陷,边界错位经常引起网格扭曲,导致单元质量不高,求解精度差。因此,分析之前的几何清理,变得十分重要,它决定分析能否进行,影响分析的效率和精确度。通过消除错位和小孔,压缩相邻曲面之间的边界。消除不必要的细节
4、,就能够提高整个划分网格的速度和质量,提高计算精度。车架纵横梁上存在大量车架孔,而只有车架纵梁和横梁间、纵横梁与加强板之间的铆接孔以及纵梁和悬架前后吊耳间的孑对车架的分析结果造成影响,所以在环境中对车架模型进行几何清理。仅保留半径在以上的孔以及必要的铆接孔。同时,需应用)咖软件如(中性面抽取)功能,抽取车架的各个零部件中性面,对形状复杂的薄壁零件进行处理。对划分的网格质量进行检查,找出并修改不合理的网格单元,删除掉多余网格,对于无法进行四边形分网的区域进行混合分网。分析过程中采用单元来代替铆钉模型,并把车架的各个零部件组装成一个整体,硼环境下车架有限元模型如图所示。珊环境下的车架孔单元,由于是
5、采用四边形来代替的,四边形的拐角处在进行受力分析时极易产生应力集中,必须手工对生成的孔单元质第卷第期基于珊的中型货车车架有限元分析与优化钟佩思,等量进行改进。根据车架应力分析精度要求,采用相应半径的内外圆孔来代替铆钉单元,内圆半径由铆钉的直径决定,外圆半径由相应的铆钉头直径决定,并且内外圆弧之间采用单元链接。图环境下车架有限元模型经过册前后处理分析对比表明:经过车架几何清理、中性面抽取优化和车架孔手工改进后的分析,网格单元数量明显减少,计算时间明显缩短,优化后忽略的部位(主要是车架孔)对精度的影响很小,可以忽略。因此,在其他车架的分析中可以充分利用本次分析的经验,提高分析效率。车架刚度分析货车
6、各部件和车架连接成一个整体,并随车架扭转而一起扭转,致使车架扭转刚度大为提高。车架扭转时,与左右纵梁连接的部件将通过连接件随左右纵梁一起移动,从结构上看,其作用相当于车架的横梁。还有一些部件(如汽油箱、贮气筒),则紧固在同一根纵梁的不同截面上。当车架扭转时,纵梁的任意两截面之间将出现相对扭角。这些部件也必通过连接件随纵梁截面一起扭动,从结构上看,其作用相当于纵梁的加强板。从理论上讲,所有装在车架上的部件,都能使车架刚度有所提高。其提高的幅度,将视部件本身的扭转刚度和连接情况的不同而不同。分析车架(整车)扭转刚度时,只研究影响较大的几大部件,而对其余大量部件的作用则忽略不计。在分析车架扭转变形时
7、,除应分析车架扭转刚度外,还必须分析汽车部件的连接刚度。()纯弯曲工况纯弯曲工况是考虑车架静载情况下抵抗弯曲的能力,它是检验车架刚度的主要工况。约束前板簧前吊耳、后板簧后吊耳处个方向的自由度。载荷:在车架中间横梁位置分别施加,方向竖直向下的集中力(此工况车架的应力、变形云图略)。结果分析:由车架的变形云图可知,车架的最大变形集中在第横粱处,最大变形量达;由车架的应力云图知,车架的最大应力集中在第横梁附近,最大应力值为,远小于材料的屈服极限。()弯扭工况扭转工况考察车架结构抵抗扭转的能力。道路的不平造成车架结构左右纵梁受力不均匀,使车架承受扭转应力。扭转工况是考察车架刚度的又一重要指标。约束后板
8、簧前吊耳算、,、三个方向的平动自由度以及绕戈、彳轴的旋转自由度,后板簧后吊耳茗、,两个方向的平动自由度以及绕菇、轴的旋转自由度;在车架左右纵梁前端位置分别施加,方向相反的集中力(弯扭工况下的应力、变形图略)。结果分析:由车架的变形云图可知,车架的最大变形集中在左右纵梁前端部,最大变形量为;由车架的应力云图知,车架的最大应力集中在第横梁附近,最大应力值为。车架弯扭工况考察车架结构的刚度特性,仅知道车架结构扭转工况下的变形和应力图不能解决实际问题,故要对分析结果做进一步的整理。对于扭转工况,考虑车架结构左右纵梁在固定载荷下的扭转情况,用左右纵梁在额定载荷下的扭转角来表示。有车架结构左右纵梁在额定载
9、荷下的扭转变形量,以扭转变形量除以车架左右纵梁距离的一半,就是扭转角的正切值,可求出左右纵梁在额定载荷下的扭转角。该型车架结构在扭转工况下的扭转角如图所示。图扭转工况下的扭转角曲线由图可知,该车架结构在扭转工况下左右纵梁的最大扭转角约为。沿左右纵梁扭转角变化基本均匀,在前板簧前吊耳、前板簧后吊耳附近出现突变。车架强度分析车架所受的载荷主要有汽车自重和载重构成的垂直弯曲载荷;道路不平引起的车架扭转载荷;偏心力构成的纵梁局部扭转载荷。根据中型载货卡车实际状况,主要考虑作用在车架纵梁上的垂直弯曲载荷。考虑各种载荷因素,在合理的状态下,车架结构的理论标定载荷为,但现实应用中载货汽车的超载严重,因此该车
10、架结构在设计时按进行设计校核。根据材料力学的知识,得车架纵梁最大力为,车架纵梁上的最大应力盯,嘣一。车架结构的约束情况根据实际约束条件进行约束:约束前板簧前吊耳菇、三个方向的平动自由度以及绕菇、轴的旋转自由度,前板簧后吊耳、,两个方向的平动自由度以及绕茗、:轴的旋转自由度,后板簧前吊耳石、,、二三个方向的平动自由度以及绕戈、轴的旋转自由度,后板簧后吊耳戈、两个方向的平动自由度以及绕戈、轴的旋转自由度。对于车架结构,载重量和车箱自重用在车箱底板上的均布压力来施加,驾驶室总成及乘员重量用施加在驾驶室支架上的个集中力来代替,发动机总成由施加在发动机支架上的个集中力来施加。选用叽软件来求解,得到的车架
11、变形、一一基于的中型货车车架有限元分析与优化钟佩思,等第卷第期应力图如图、图所示。()在第横梁至第横梁之间纵梁外加厚度为加强板。 对改进后的模型进行再分析,对比得出各关键部位应力值,各关键点改进前后的应力、应变对照如表、表所示。圈车架结构应力图由车架的应力网可以看出:车架总体应力偏小,在力和约束的施加点处应力值较大。应力最大值出现在第横梁处,最大值为。在驾驶室与第横梁之问,应力值也较大,其应力值为。在第横梁和第横梁之问,应力值也较大,其应力值范围为。结构静力分析的目的是根据有限元分析的结果数据对车架的强度进行评价。不同工况下计算出的最大复合应力()盯。,则车架结构的强度安全系数盯盯一。分析结果
12、表明:当时,说明在该工况下,车架结构强度是符合要求的;否则,则说明车架结构强度不符合要求,将会发生强度破坏。该类型车架的安全系数在,说明该车架的结构强度较为危险。车架结构优化对以上的刚度分析(纯弯曲工况和弯扭工况)和强度分析结果进行分析:()纯弯曲状况车架的最大变形集中在第横梁处,最大变形量达;最大应力集中在第横梁附近,最大应力值为,虽小于材料的屈服极限,但表明第横梁较易受到弯曲的破坏。()弯扭状况(非升举状态下)车架最大变形集中左右纵粱前端部,最大变形量为;由车架应力云图知,车架最大应力集中在第横梁附近,最大应力值为;由扭转图知,扭转工况下左右纵梁的最大扭转角约为。()车架强度应力最大值出现
13、在第横梁处,最大值为,受到强度破坏影响。综合上述几种状况下的车架应力、应变结果分析可知,车架的左右纵梁变形量大,第横梁应力值高,易受弯扭破坏的危险截面危险度大的状况,以及在强度分析中,第横梁应力大,易受强度破坏,故改进如下:()纵梁的厚度由增至,将第、第横梁的厚度增加;()在纵梁外部外包厚度为的形加强钢板,位置为纵向最前端至第横梁处;表改进前后车架关键部位弯扭变形对照表【)表改进前后车架关键处应力()对改进后的车架进行弯曲弯扭和强度分析,结果表明:各主要危险部位应力值下降明显,增加板的厚度以及增加加强钢板的作用明显,且部位准确,对车架质量的增加较小,优化改进合理,对该车型以及同种类型的车架的改
14、进起到很好的参照作用。结语应用珊进行车架的前后有限元处理,通过对有限元模型的几何清理、中性面抽取以及车架孑单元等工作,提高了邢环境下纯弯曲、弯扭和强度分析的效率,优化网格的划分,减少不必要的单元数,提高计算机的车架分析效率和准确度,为肿在车架分析中的应用提供了分析经验和方法依据。通过车架的刚度和强度有限元分析得到该车架设计上存在缺陷,某些关键部位应力值明显过大,变形量过大,对货车的应用存在安全隐患,但是通过分析对关键危险部位进行加加强板,加厚某些部位钢板厚度,明显降低了易受疲劳破坏和断裂的几率,改进后的车型实际应用证明,车况明显改善;同时改进的方法为其他车型车架的优化提供了有力支持。参考文献:于开平,周传月,谭惠丰,等从入门到精通北
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