基于有限元分析的某皮卡车车架应力分析

基于有限元分析的某皮卡车车架应力分析

有限元法是一种有效的数学计算方法。它能对几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种机构进行变形计算和应力分析。随着汽车工业的发展,汽车的各项性能已经越来越被汽车制造厂商所关注。CAE技术也作为一种比较有效的分析方法,在汽车中的应用越来越广泛,车架结构对皮卡车的各种性能有着直接的影响,因此本文作者针对某皮卡车车架的特点,以及车架在路面上行驶时可能出现的各种工况,采用CAD/CAE技术对车架作应力分析,全面了解车架的应力分布。通过反复的计算模拟,使改进后车架的刚度和强度等性能满足分布合理的要求。1皮卡车车身的有限模型1.1简化部件对皮卡车车架上不影响车架应力分布和对车架结构不产生应力影响的部件进行简化或者忽略,对于结构上比较复杂的截面在不影响计算结果的前提下,进行必要的简化。车架简化后的结构如图1。1.2刚度和边界条件皮卡车车架前悬架为麦佛逊悬架,前麦佛逊悬架采用螺旋弹簧模拟。后悬架采用钢板弹簧。钢板弹簧除了作弹性元件外,还起导向作用,因此其在各个方向上均有刚度,且其在其它方向上的刚度要比垂直方向上的刚度大得多。故用刚性梁-螺旋弹簧结构模拟钢板弹簧。等效图如图2所示。悬架弹簧刚度K用螺旋弹簧的刚度来等效;对于刚性梁,为使其受力时垂直位移远小于螺旋弹簧的垂直位移,取其轴向刚度为5.0×10-5N/mm。刚性梁截面取正方形,面积由下式计算:A=5.0×105×LEA=5.0×105×LE式中:A为刚性梁的截面面积;L为刚性梁的长度,根据实际结构,取200mm;E为钢的弹性模量;取2.06×105N/mm2。故取刚性梁截面边长为22mm。皮卡车车架后悬架是钢板弹簧,满载时钢板弹簧下沉50mm,运用虎克定律F=KL,其中F为满载时的载荷,取4900N,K为螺旋弹簧刚度,L=50mm,所以得K=980N/mm。对于边界条件的处理如下。弯曲工况下,四车轮Z向平动自由度被约束,左前轮另外自由度全部被约束,右前轮X向平动自由度和右后轮Y向平动自由度被约束。左轮悬空弯扭工况下,左前轮六个自由度全部被约束,右前轮X、Z向平动自由度和右后轮Y、Z向平动自由度被约束。1.3角形单元划分借鉴以往建模的经验,设置车架的主体单元为shell63四边形单元。用shell63四边形单元将车架结构进行初步离散化,由于在用四边形单元进行划分时,部分单元肯定会存在着形状方面的问题,这时可以再将这些结构采用三角形单元进行划分,使车架所划分的单元没有形状等问题。对于结构比较复杂、应力或应变剧烈的部位,单元可以划分得小一些(如在凹槽、孔洞、悬架附近等应力集中的部位),最后得到的有限元模型如图3。1.4u3000车架自称重重力载荷车架的应力应变都与载荷有着直接的关系。如果车架载荷没有得到合理处理,会对以后的计算结果造成较大的影响。车架的自重用重力载荷加载,其余的如车身质量、满载载荷、驾驶员质量、乘员质量、座椅质量等都可以与发动机的质量一起平均分布于车架的各个牛腿上,其中乘员和驾驶员质量按70kg/人计算(乘员4人)。车架的各部分的载荷分布如表1所示。2计算差分和结果处理2.1车架变形的量测在本文中,利用有限元软件对车架进行计算。鉴于我国的路面状况一般为B级路面,车辆的行驶条件比较好,如果车架在弯扭工况下能满足要求,那么车架在各种工况下都能安全运行。原始车架应力分布图如图4。影响车架安全性能的除了应力分布就是车架的变形。在进行车架变形的结果处理时,应将弹簧元件的变形和车架的变形进行分离。在进行变形分离时,取车架上前悬架与车架连接的2个节点以及后悬架后吊耳的2个节点作为计算对象,节点分别为:3294、3295、6539、6540,分别计算前后2个相互交叉的节点之间的距离,与没有变形之间的距离进行比较,得到它们之间的变形量。用该变形量的大小来衡量车架刚度状况。原始车架刚度计算这些节点变形前后的坐标值见表2。按照前面说的方法可以求得变形量是26mm,可见车架的刚度不能满足要求。2.2改进车架结构根据原始车架的应力分布和变形图,确定在原始车架中存在可能破坏的危险截面,说明如下:①在该车架结构中,弯曲和扭转工况下最大应力分布在纵梁和横梁的连接处。这与汽车车架连接件之间的连接有关,这些连接方案将在下面进行比较。②根据车架结构的制造工艺特点,两根纵梁的弯曲部位以及后悬架前支撑节点上方的弯曲部位应力也是最大应力所在位置,存在的原因就是车架弯曲部位的结构不够合理,导致车架的应力过分集中。③车架的扭转应力主要是由横梁A、B、C以及2根纵梁来承受,原始车架B横梁中间部位存在一段缺口,用来安装手札线,而B横梁是主要的承载梁之一,通过应力分析,该横梁的截面缺陷导致了与B横梁相连接的部位以及它本身应力的集中,原始车架中的其他横梁均存在刚度不足的缺点。提出以下改进方案:改进方案1先将主要承受弯扭应力的横梁A、B、C进行截面厚度的变化,将原始车架A、B、C横梁的厚度由原来的3mm改为4mm。通过应力分析和经验验证,这样可以提高车架的抗扭能力以及改善其应力分布。改进方案2纵梁厚度由原来的4mm改为3mm,A梁的改进是在Z方向上增加长度,由原来的30mm改为50mm。B梁现在将其截面形状进行如图5所示的修改,而且不用在中间打开一段缺口。改进方案3原车架纵梁的面与面之间过渡用的是直角过渡使得车架在直角过渡部位存在着应力集中,所以将车架中上述部位采用圆角过渡,这样可以解决应力过于集中的毛病。改进中采用圆角过渡,其圆角半径为30mm。2.3板壳单元模型的焊接应力对于车架的连接方式有焊接、刚接、螺栓连接或铆接几种形式,各种连接形式的简化如图6所示。所有模型均采用车架纵梁与横梁连接的模型;施加的约束相同,施加的外力数值、方向相同。图6是刚接和焊接有限元模型。从两种连接方式中取连接处附近相同的节点号,将其应力连接成一条比较平滑的曲线,如图7所示。对于采用板壳单元模拟的车架的焊接模型,连接结构上最大的应力为27.185MPa,位于两梁承受外力的焊点连接处,但其他地方的应力小,整体应力从图中可以估计在2～3MPa之间。最大节点变形量为0.07mm,位置位于梁上承受外力一侧的焊点附近区域。其他地方变形很小。比较这两种连接方式,焊接和刚接模型所反映的应力的分布和变化趋势相同,但也可以看出,刚接和焊接两种模型的最大变形区域不重合。所以用刚接结构来代替实际车架中的焊接以及其他的连接方式是不合理的,当结构复杂时,有可能产生错误的结果。针对该皮卡车车架特点,为了提高模型计算的准确性,因此在改进的车架中采用焊接模型。2.4u3000改进前后车架弯扭应力对比对照改进前后的结构和分析所得到的结果,可以看出,车架的改进大大优化了车架的应力分布,最大应力由原来的321.53MPa减为135MPa。图8为改进后车架弯扭应力分布图。结构改进后,车架上前悬架与车架连接的2个节点以及后悬架后吊耳的2个节点变形前后的坐标值见表3。按照前面方法可以求得变形量是:4.6mm。可见车架的刚度符合要求,说明车架的改进是有效的。3车架应力分布(1)通过运用CAE技术,可以知道原始车架在一定程度上存在着应力集中和结构不合理的缺点。该车架最大