基于有限元法的牵引车车架分析与改进设计 - 文章

基于有限元法的牵引车车架分析与改进设计

作者：北京理工大学龙凯覃文洁

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摘要：运用参数化特征建模技术建立了牵引车车架改进前后的三维几何模型。以ANSYS 为有限元分析平台，建立了牵引车车架有限元模型，确定了计算工况并进行了多工况下的有限元静力学计算，在对比分析计算结果的基础上，提出结构改进方案并对进行了验证计算，结果表明有限元技术是牵引车车架结构设计的有效工具。
关键词：有限元法；车架；悬架

1 牵引车车架有限元的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

早期的车架结构计算受CAD 技术和计算规模的限制，多采用梁单元手工建立有限元模型，文献[1]综述了基于梁杆单元的车架静态计算方法。基于此类模型的有限元计算具有建模简便、计算量小的优点，模态计算结果同试验结果比较，具有较好的精度[2]，同时静态强度、刚度计算结果也为车架结构设计提供了理论依据[3]。由于受梁单元本身特点的局限，如无法准确反映纵横梁接头区域的应力分布，且忽略扭转时截面的翘曲变形，随着计算机软硬件技术的发展，目前普遍采用板壳单元建立车架有限元模型，例如文献[4～5]是较早以板单元为基本单元，同时兼顾规模大小，采用不同尺寸网格对车架结构进行离散。牵引车车架主要结构由Q235A 钢板焊接而成，本文在ProeTM 实体参数化模型的基础上，根据中面位置提取中面模型，在ANSYS 中采用板壳单元shell63 对主要结构进行网格划分，一些起联接作用的槽钢结构，采用了相同截面的梁单元beam188 进行模拟，前桥按照等刚度原
则，采用梁单元连接钢板弹簧支撑中节点，车架的板壳梁混合网格模型如图1 所示。

图1 车架结构网格模型

悬架系统将车架与车桥、轮胎等连接，其模拟方式是车架有限元模型建立的关键之一。最常见的建模方法如图2(a)所示，其中钢板弹簧由一个刚性单元联接的两根垂直弹簧组成，文献[6]采用此模型，对不同工况下的约束处理方法进行了研究。文献[7]针对副簧非线性特性，提出三种建模方法，并对计算结果进行了对比分析，从计算精度和效率两方面综合考虑提出了板簧建模方法。文献[8]研究了不同支撑方式对计算结果的影响，并指出力学等效模拟在车架计算中的必要性。文献[9]采用结构分析与优化设计方法提出了串联多轴油气弹簧悬架车辆车架分析方法。牵引车车架悬架建模方法如图2(b)所示，将钢板弹簧等效一根水平放置的矩形截面梁[10]，等效梁截面高H 通过下式计算求得：

其中K 为钢板弹簧垂直刚度，B 为簧片截面宽度，E 为材料弹性模量；L 为钢板弹簧两吊耳间的水平距离。采用上述方法模拟钢板弹簧，无论从几何外形和力学刚度等效上均较为真实地反映了悬挂对车架结构的影响，将悬架梁单元节点与车架结构节点进行自由度耦合，模拟了悬挂与车架联接的相对运动关系。

图2 不同悬挂处理方式示意图

1.2 计算工况及边界条件确定

该牵引车主要用于牵引飞机，车辆在机场以低速前进，路面状况良好，宜采用有限元静力学分析以考察其在最大载荷作用下的变形与应力状况。根据工作环境特点，计算包括直线牵引、45 度牵引、直线顶推和45 度顶推4 个工况。车架承载重量和牵引、顶推载荷以集中力形式施加在网格模型相应位置的节点上，以形成不同工况下的载荷集。将前悬等效梁后端节点与车架上相应安装位置节点、前端节点与吊耳下端节点以及吊耳上端节点与车架上相应安装位置节点皆进行自由度耦合，仅释放绕横梁方向的旋转自由度；该车后桥与车架之间采用的是刚性连接的方式。在本模型中，后桥及支撑部分采用刚度很大的等效梁进行模拟，与车架上与之相连的区域——后桥连接区进行了刚化处理。由于轮胎刚度较大，故而忽略轮胎刚度对车架结构的影响，约束悬架与轮胎连接处节点以消除整个模型的刚体位移。

1.3 计算结果及分析

直线牵引工况下的车架等效应力分布与变形结果如图3 所示。

由计算结果可知，车架后部所开∩形孔由于靠近支撑车架的后桥连接区，所受内力较大，该处结构又被∩形孔削弱了，因此最大应力发生在该∩形孔前端的圆角部位，最大位移发生在车架前端，主要是由于前端刚度较小，作用的垂直载荷较大，因而引起了较大的垂直位移。四个工况下的车架最大变形和最大等效应力结果如表1 所示：

表1 不同工况下的车架最大变形与最大等效应力值

由表1 结果可得，45 度顶推工况下车架的最大等效应力值较其它工况高，其原因在于45 度顶推产生的水平弯矩与垂直弯矩叠加，综合两方向作用力大小与危险点距离，使得该工况为最危险工况，而顶推力的作用点低于车桥支撑点也使得车架前部的垂直位移值较牵引工况有较大增长。

2 牵引车车架改进设计

为保证该牵引车具有足够的地面附着力，车架的结构改进以提高其刚强度性能为目标，轻量化目标处于其次的地位[11]。根据结构分析结果，在两∩形孔下部增加局部加强板，初始与改进车架结构对比如示意图4 所示，经过改进后的车架结构分析结果如表2 所示。

图4 初始与改进车架结构对比示意图

表2 不同工况下的改进车架最大变形与最大等效应力值

表2 结果表明，优化结构在各工况下的最大变形值有较大降低，结构刚度改善明显。除45 度顶推工况外，其余工况下的最大应力值也有一定程度的降低，结构强度薄弱处需进行进一步加强。

3 结论

基于有限元法的结构分析能有效地在牵引车车架设计阶段了解产品的力学性能，采用“设计-虚拟分析-修改”的虚拟设计流程减少了产品开发的试验次数，从而大大降低了开发设计的时间，有限元技术为牵引车车架的结构设计提供了理论依据，ANSYS 软件是牵引车车架结构设计与改进的良好平台。

参考文献
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