基于HYPERWORKS的某客車車架有限元分析

1、基于HYPERWORKS 的某客車車架有限元分析*呂東升王東方蘇小平（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，南京210009）A static research of bus frame based on HYPERWORKSLV Dong-sheng ，WANG Dong-fang ，SU Xiao-ping（College of Mechanical &Power Engineering ，Nanjing University of Technology ，Nanjing 210009，China ）文章編號：1001-3997（2011）03-0011-02【摘要】車架是汽車重要的基礎

2、部件之一，須具有足夠的強度和剛度。應用HYPERWORKS 建立了車架的有限元模型，根據(jù)對該模型進行的受力分析，施加了合理的約束條件和載荷，對車架最為典型的四種工況進行了靜力學研究，并根據(jù)車架的應力應變云圖，預測出車架的薄弱部位，提出了前瞻性的建議，為車架的優(yōu)化設計和車架結構的改進提供了非常重要的理論依據(jù)。關鍵詞：HYPERWORKS ；車架；靜力分析【Abstract 】Frame is one of automobile s most important basic component ，which needs sufficient strength and stiffness.A fin

3、ite element model of frame was established through HYPERWORKS software ，reasonable constraint conditions and load was imposed on the finite element model according to the me chanical analysis ，and the most significant four operating conditions of the frame was analyzed through static method.The stre

4、ss-strain contour of the frame was obtained ；Finally ，the weak parts of the frame was pre dicted ，and several predictable suggestions were opposed ，which provides important theory foundation for the optimizing design and structure improvement of the frame.Key words ：HYPERWORKS ；Frame ；Static analysi

5、s中圖分類號：TH12文獻標識碼：A來稿日期：2010-05-08基金項目：江蘇高校高新技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展項目（JHB05-19）1引言傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計流程是一個人工反復進行設計的過程。工程師借助CAD 工具進行產(chǎn)品的設計，接著提交工廠進行加工制造，然后對產(chǎn)品進行實物實驗。如果產(chǎn)品不能滿足功能要求或失效，就需要對產(chǎn)品設計進行修改，甚至重新設計，如此反復，直到產(chǎn)品在實物實驗中滿足全部要求為止。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，CAE 技術的日益成熟，各種數(shù)值仿真方法，如有限元、多體動力學、計算流體力學等技術，在產(chǎn)品設計中得到大量的應用。產(chǎn)品在完成初步設計后，可以基于CAD 模型進行產(chǎn)品性能的虛擬實驗，初步檢

6、驗其工作應力、運動過程、產(chǎn)品壽命等。如果產(chǎn)品不能滿足要求，可以立即返回給設計人員進行修改或重新設計，從而大大縮短試驗周期和降低費用。車架是跨接在汽車前后車橋上的橋梁式結構，它是整個汽車的基礎，其上裝有發(fā)動機、變速箱、傳動軸、前后橋、車身等總成部件，是汽車車架重要的承載件，它承受的載荷包括自身的質量，和行駛時產(chǎn)生的沖擊、扭曲和慣性力等，因此其對強度、抗沖擊性、疲勞強度及可靠性方面都有很高的要求，所以對車架進行強度和剛度分析是很有必要的。2車架受力分析車架的受力主要按照四種危險工況來進行分析計算，分別為滿載彎曲、滿載扭轉、緊急制動和緊急轉彎工況。車架的受力情況按方向主要分為垂直載荷、縱向載荷和側向

7、載荷三個方向。根據(jù)車輛行駛工程中受力分析可得：滿載彎曲工況為垂直載荷單獨作用的工況；滿載扭轉工況為垂直載荷和側向載荷的組合工況；緊急制動工況為垂直載荷和縱向載荷共同作用的組合工況；緊急轉彎工況為垂直載荷、縱向載荷和側向載荷共同作用的組合工況。其中，彎曲載荷主要是由車身、車載設備、乘客和貨物等的質量在重力作用下產(chǎn)生，彎曲工況下汽車四輪均著地；扭轉載荷產(chǎn)生于路面不平度對車身造成的非對稱支承，作為對比計算，可以用靜態(tài)最大可能的扭矩，即一個前輪懸空的極限狀態(tài)或一輪騎障的情況模擬；側向載荷主要是由汽車轉向時的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動時的慣性力的作用而產(chǎn)生的。3車架有限元模型的

8、建立設計所選用的依維柯41.10型A50客車的總裝備重量為5t ，車架的結構是典型的邊梁式車架結構，由兩根縱梁及六根橫梁鉚接而成，前后等寬，寬度為862mm ，車架縱梁長5420mm 。目前，隨著計算機技術的發(fā)展，各種有限元軟件都能對車架進行合理的模擬分析，考慮到HYPERWORKS 的速度、靈活性和用戶化功能，運用HYPERWORKS 建立了依維柯某客車車架的有限元模型，然后對有限元模型施加約束條件和載荷進行了靜力學計算。由于有限元結構分析只是對真實情況的近似，因此在建立有限元模型之前對車架幾何模型進行了適當?shù)暮喕幚?，在HYPERWORKS 中利用geometry cleanup 和def

9、eature 等菜單中的各項功能對模型進行幾何清理，經(jīng)過這些步驟之后可以清除一些損壞的幾何特征，刪除一些對結構分析只產(chǎn)生局部較小影響的細節(jié)，如倒角、圓角、局部小孔，刪除這些較小的細節(jié)可以大大減Machinery Design Manufacture機械設計與制造第3期2011年3月11小有限元分析的計算量和求解時間，而不會影響到分析結果的精度。完成后的整個車架有限元模型被劃分為120544個殼體單元，車架模型中共有1587個焊點。車架采用的材料為16Mn ，特性參數(shù)：E =206Gpa，=7.82×10-6kg/mm3，=0.28。對該車架有限元模型所施加的約束和載荷14如表1所示。

10、表1施加的約束和載荷狀況工況對車架有限元模型施加的約束和載荷滿載彎曲約束前輪的三個平動自由度UX 、UY 、UZ ，釋放前輪的三個轉動自由度ROTX 、ROTY 、ROTZ ；后輪需要約束豎直方向的平動自由度UY ，釋放其余所有自由度滿載扭轉模擬汽車懸空時施加在車架上的扭矩的工況，對左前輪UX ，UY ，UZ 三個方向自由度和右前輪UX ，UY 兩個方向自由度，其它兩輪UY 方向自由度進行約束緊急制動對兩前輪的UX ，UY ，UZ 三個方向自由度和后輪的UX ，UY 兩個方向的自由度進行約束，釋放車輪的其余自由度；在車架上施加一個縱向0.6g 的制動減速度緊急轉彎對左前輪的UX ，UY ，UZ

11、 三個方向自由度和右前輪的UX ，UY 兩個方向自由度，以及兩后輪的UY 方向自由度進行約束，釋放車輪的其余自由度；在橫向（Z 軸正方向）施加一個側向加速度0.5g 和在縱向（X 軸正方向）施加一個減速加速度0.5g 來模擬左轉彎工況。4計算結果及分析針對上述四種工況，分別對車架有限元模型施加相應的自由度約束，并對車架施加各種載荷，在有限元軟件HYPERWORKS 中對車架在彈性范圍內進行各工況下的應力和應變計算。在該四種工況下，經(jīng)HYPERWORKS 計算所生成的云圖結果，如圖16所示。各工況最大應力和車架最大位移，如表2所示。Contour Plot （Analasis system ）S

12、tress （vonMises ，Max ）1.915E+021.703E+021.490E+021.277E+021.064E+028.513E+016.385E+014.257E+012.128E+017.618E+04NoresultMax=1.915E+02（Shell34278）Min=7.618E-04（Shell50011）X Y圖1滿載彎曲工況下的車架應力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）2.680E+022.384E+022.086E+021.788E+021.490E+021.192E+028.

13、941E+015.960E+012.980E+014.905E-04NoresultMax=2.682E+02（Shell66192）Min=4.905E-04（Shell23698）X Y圖2滿載扭轉工況下的車架應力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Displacement （Mag ）5.991E+005.325E+004.660E+003.994E+003.328E+002.663E+001.997E+001.331E+006.657E-010.000E+00NoresultMax=5.991E+00（Node 74013）Min=0.000E-00（N

14、ode 55889）ZX Y圖3滿載扭轉工況下的車架位移分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）2.467E+022.193E+021.919E+021.645E+021.371E+021.097E+028.224E+015.483E+012.741E+015.652E+01NoresultMax=2.467E+02（Shell 25893）Min=5.652E-04（Shell 15011）Z XY 圖4緊急制動工況下的車架應力分布圖Contour Plot （Analasis system ）Displacement

15、 （Mag ）Max=6.075E+00（Node 27015）Min=0.000E-00（Node 24997）6.075E+005.400E+004.725E+004.050E+003.375E+002.700E+002.025E+001.350E+006.750E+000.000E+00Noresult ZX Y圖5緊急制動工況下的車架位移分布圖Contour Plot （Analasis system ）Stress （vonMises ，Max ）3.503E+023.114E+022.724E+022.335E+021.946E+021.557E+021.168E+027.784E

16、+013.892E+017.113E-04NoresultMax=3.503E+02（Shell 25893）Min=7.113E-04（Shell 15011）Z XY 圖6緊急轉彎工況下的車架應力分布圖表2各工況應力應變分布位置工況最大應力分布狀況最大位移分布狀況滿載彎曲主要集中在第2根橫梁和第4根橫梁之間。車架的最大應力為191.5MPa ，位于約束的前后輪上最大位移為4.6mm ，位于縱梁中間，遠小于汽車定型試驗規(guī)程中所規(guī)定的最大變形參考值滿載扭轉最大應力發(fā)生在車架的右前輪處，在車架的第1根橫梁和第2根橫梁之間最大應力達到268.2MPa 最大變形量為6.0mm ，左縱梁的變形明顯大于

17、右縱梁的變形，而左縱梁前端和中間的變形量最大，此種情況屬于危險情況緊急制動車架的最大應力為246.7MPa ，位于左右縱梁的前后懸架連接處，在第1根橫梁與第2根橫梁之間和第5根橫梁與第6根橫梁之間此工況下車架的變形量較大，最大變形量為6.0mm ，位于兩縱梁的中間與第2橫梁和第3橫梁上緊急轉彎車架的最大應力為350.3MPa ，位于左右縱梁的前懸架連接處，在第1根橫梁與第2根橫梁之間車架的最大變形量為1.5mm ，位于車架的尾端，往前逐漸減小通過計算發(fā)現(xiàn)該車車架的左右縱梁的懸架連接處在緊急轉彎工況下受到的最大應力為350.3MPa ，為車架相對薄弱且應力集中部位，可將其加厚（12）mm ，從而防止在使用過程中該部位斷裂或損壞情況的發(fā)生。車架縱梁其它位置的強度和剛度特性遠遠滿足使用要求，可以將其厚度適當減?。?.51）mm ，以減輕整車質量和節(jié)省材料。在四種工況中，滿載扭轉工況和緊急制動工況下車架的變形量為6.0mm ，變形相對較大，容易造成車架的開裂，故而在汽車的行駛過程中要盡量避免該情況的發(fā)生57。5結語應用HYPERWORKS 對汽車車架進行強度有限元計算分析，由分析結果可知，利用計算機工程軟件進行有限元計算能夠對汽車進行比較全面的分析，可以有效地減少試驗周期，降低設計與制造費用，顯著減少了車型的開發(fā)周期，同時該計算也為車架的