货箱-车架模拟试验及应力计算

货箱-车架模拟试验及应力计算

1货箱和车架之间的等效载荷的转化车辆车架是车辆支持、地面和车身的主要安装基础，是车辆的主要支撑。因此,车架的强度和刚度在汽车总体设计中非常重要。早期的车架强度计算是将车架简化为简支梁,只作弯曲强度的校核。随着有限元法的发展和推广,国内汽车行业已将有限元法应用于汽车车架的强度计算,但在货箱与车架相连接的部分,应力的计算值与货箱和车架之间等效载荷和相互刚度关系简化模型有关,直接影响计算结果。本文对货箱和车架之间等效载荷的转化进行了初步探讨。货车的货箱和车架通过若干个U型螺栓连接在一起(见图1)。在以往的车架应力有限元计算中,常常不考虑货箱的结构形式,而一概将货箱上的载荷以集中力或均布力形式全部直接施加到车架上。究竟货箱和车架之间的载荷是以何种形式传递的,货箱是否能够承受部分载荷,载荷又是以何种规律分配到货箱和车架上,货箱的结构形式是否会影响车架受力,这些都是汽车工程师们普遍关心的问题。而这些问题在整车上研究比较困难。为了抓住问题的本质,设计和制作了货箱一车架模拟试验装置,试图通过模拟试验为解决上述问题提供分析依据。2平衡重模型下的力table本模拟试验装置将货箱一车架结构简化为上下两根梁叠在一起的组合梁结构。上梁模拟货箱,下梁模拟车架。为研究不同的货箱结构,制作了两套试验模型(见图2)。分别模拟货箱为金属和木质两种材质的货箱一车架结构。模型的尺寸与实际结构成几何相似,并采用了实际结构的连接形式。为了研究货箱和车架之间作用力的形式,在模型1中选择了三个截面,通过试验测量下梁的正应力σMy沿X轴方向的变化规律。(由于上下梁均为开口槽形等截面梁,集中载荷并非作用在截面弯曲中心上。因此,在实测中每一截面上布四枚电阻片)。各截面的位置及应力σMy的试验值和拟合值列于表1中。从表1中可以看到:σMy沿X轴方向呈线性变化,用最小二乘法对σMy试验值进行线性拟合,拟合值与实测值相差不大,从线性相关系数为0.9976可以证明线性拟合是合理的。因此,这一试验说明下梁承受的弯矩沿X轴方向是线性变化的。即上、下梁之间的作用力是以集中力形式传递的,没有均布载荷的作用。上述试验证明了货箱和车架之间的作用力是以集中力形式传递的,那么,货箱上的载荷是否全部以集中力形式传给车架的呢?根据文献,在上下梁自由叠在一起且无预紧力作用的组合梁中(如图3(a)所示),上下梁弯矩之比K为:K值与两梁的弹性模量E和截面惯性矩的I的乘积有关。为研究上下梁载荷的分配关系,在图2所示组合梁结构的2#截面处截开,该截面所受内力如图3(b)所示。通过试验得到在P=8000N下My1、My2、N1、N2内力值,进而求出上下梁之间的作用力R。对于模型1和模型2,R分别为1235N和255N。由于组合梁的上下梁之间的作用力是以集中力形式传递的,因此,上下梁之间的接触力集中在三点上,如图4所示。模型1和模型2在外载荷P=8000N作用下上下梁各自的受力值分别见图5和图6。从图5可以看出:对于模型1(钢-钢结构),总载荷P由上下梁共同承担。上下梁承受载荷的比例约为3:7。而对于图6所示的模型2(木-钢结构),由于上梁为木质结构,因此只承担了总载荷的6%,总载荷基本上由下梁承受。通过货箱一车架模拟试验得到以下几点结论:(1)货车货箱和车架之间的作用力是以集中力形式传递的。(2)货箱和车架共同承受弯曲载荷,货箱承受能力与货箱刚度有关。因此,在车架应力的有限元计算中应考虑货箱的刚度贡献。(3)对于货箱为木质的货箱一车架结构,由于货箱的刚度小,可以不考虑其刚度贡献。3u3000等效载荷为了进一步验证货箱一车架模拟试验的结论,本文利用薄壁杆件的有限元方法计算了一种典型的货车车架的静态应力,并将计算结果与试验值进行了对比。车架应力计算的有限元模型如图7所示。在车架应力计算中,等效载荷P分两种情况简化。第一种情况假设全部载荷直接作用到车架上,P1=1250N。第二种情况按货箱一车架模拟试验中下梁承受的载荷占总载荷的70%的比例,将等效载荷简化为P2=875N。两种情况下车架满载弯曲应力的计算结果及试验结果的对比见表2。从表2中可以看出:等效载荷按第一种情况简化(P1=1250N)时,计算值与试验值相比误差比较大。而按第二种情况简化(P2=875N)时,计算结果得到了很大改善。但尽管如此,车架应力计算值仍比试验值高。这是因为在模拟试验中将货箱假设为一根纵梁,忽略了货箱横梁及货箱底板的影响。而实际上货箱承受载荷的比例比模拟试验的