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摘 要： 以某半挂车车架为研究对象，利用CATIA建立车架的三维实体模型，并导入ANSYS中进行有限元分析，选取不同工况条件进行强度刚度模拟分析，经校核该车架的结构符合要求。针对车架主纵梁部分进行优化设计，优化后车架的变形量及应力值均有下降。
关键词： 车架；有限元；ANSYS；结构分析；优化
汽车车架作为汽车总成的一部分，是整个汽车的基体，承受着来自路面及装载的各种复杂载荷的作用，汽车上许多重要总成部件都是以车架为安装载体，其强度和刚度在汽车设计中有重要的作用。采用传统理论分析方法，建立数学模型求解方程组，较难获得方程组的解。伴随计算机技术的发展，有限元分析法的优势凸显，得到了广泛应用。本文利用ANSYS建立半挂汽车车架有限元模型，选取弯曲和紧急制动工况，施加不同载荷和约束条件，进行车架形变和应变分析。
1 半挂车车架三维模型建立
本文选用的半挂汽车车架是边梁式车架，整个车架长为12050mm，前悬1160mm，轴距为8400mm。主要由两根纵梁和若干横梁组成该车架的纵梁结构采用平板式，横截面断面为工字形，横梁断面亦采用“工”字型断面，提升载荷传递效率。其中两纵梁连接采用横梁与纵梁下翼板、腹板和上翼板焊接连接的方式。
在不影响计算结果精度的前提下，为了提升计算效率，将车架三维模型进行如下简化：省略凸台、销孔、防护网等部件。利用CATIA软件完成半挂车车架模型的建立，如图1所示。
2 车架有限元模型的建立
有限元分析法是伴随计算机的发展而快速发展并应用于结构分析的一种现代计算方法，现已成为汽车设计中的重要环节，能够能明显缩短产品设计周期。本文将CATIA绘制的车架三维模型导入ANSYS，经前处理后建立车架有限元分析模型[1]-[2]。
2.1 模型导入
将三维模型以IGES格式导入ANSYS中，由于软件间存在兼容性问题，为了提升网格质量，对部分线、面进行进一步的修改。
2.2 材料属性
车架材料选用16Mn低合金结构钢，假设车架结构材料是均匀材料且各向同性。具体材料参数如下：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3，屈服极限360MPa，抗拉强度550MPa。
2.3 网格划分
网格类型选用Solid187，网格大小设定50mm，四面体网格，共生成单元总数为77546个，节点总数为158439个。网格划分模型如图2所示。
2.4 边界约束
模拟的工况不同，为了获得更精确的仿真结果，采用不同约束条件。半挂车前部通过牵引销与牵引车连接，简化为全自由度约束。对于匀速行驶工况，车架后部两纵梁下方的支撑板处也采用全约束。紧急制动工况，车架前部为全约束，后部车轮位置施加垂直方向约束[3]-[5]。论文不考虑钢板弹簧的作用。
2.5 载荷设置
半挂车车架所承受的载荷质量主要包括罐体质量以及载货质量。半挂车额定载重30t，自重1.0t，静态分析时，采用均布载荷进行处理。动载系数为1.3，重力加速度为9.8m/s2。
3 仿真与分析
选取2种不同行驶工况，分别施加对应约束和载荷，利用ANSYS对车架进行有限元分析，获得位移和压力云图。
3.1 匀速行驶工况
假定车辆满载下匀速行驶，车架主要承受弯曲载荷，产生弯曲变形，载荷主要为自身质量和承载物质量。经有限元分析得到车架的变形图和应力云图，如图3、4所示
3.2 紧急制动工况
紧急制动时，车辆制动减速度为5m/s2，车架所受载荷为自重、载重和制动惯性力。经有限元分析得到车架的变形图和应力云图，如图5、6所示。
3.3 结果分析
分析各工况车架的变形位移图和应力云图，得到各工况下最大变形量和最大应力值，如表1所示。
匀速行驶工况下，车架的最大变形量为1.6753mm，位于车架纵梁中前部，变形量小于车架纵梁所允许的最大变形位移（最大位移量=[0.002--0.003]*L）要求[6]，該车架满足刚度要求。分析应力云图知，最大应力位于牵引销两侧纵梁区域，数值为58.97MPa，小于材料的应力极限，车架的强度满足要求。紧急制动工况下，车架最大变形量为1.6816mm，最大应力值为58.10MPa，变形量及应力值均满足车架的强度刚度要求。
4 优化设计
设计的车架强度和刚度均满足使用要求，但该纵梁的最大应力多集中在主纵梁中间悬空位置。为了减小应力集中现象，增加车架的承载能力，采用增加主纵梁截面高度，在应力集中位置采用加强筋或加强板的方式，提高强度，增大承载能力，如图7所示。
优化改进后的车架经有限元分析后，得到的应力应变云图如图8、9所示。优化后，车架所受的最大应力为48.5MPa，最大变形量为1.37mm。与优化前相比，最大应力值和最大变形量都有降低，明显提高了主纵梁整体强度和刚度。
5 总结
本文选取半挂车车架为研究对象，设计建模并利用有限元法对车架强度、刚度展开研究，通過不同工况下车架最大变形量和最大应力值的计算得出，该车架的强度和刚度符合设计要求，并根据分析结果对车架纵梁进行优化设计，减小应力应变值，提升承载能力。■
参考文献
[1] Klaus-Jürgen Bathe. 有限元法[M]. 北京：高等教育出版社，2016.
[2] 谭继锦，张代胜. 汽车结构有限元分析[M]. 北京：清华大学出版社，2009.
[3] 朱永强，仪垂杰.低货台半挂车右主纵梁有限元分析[J].专用汽车，2002（1）：5-6.
[4] 孙启会， 闵鹏. 有限元法在汽车车架分析中的应用[J]. 重型汽车，2001（5）：20-21.
[5] 徐建全. 平板式半挂车车架有限元分析[J]. 福建工程学院学报，2001（5）：20-21.
[6] 徐达，蒋崇贤. 专用汽车结构与设计[M]. 北京：北京理工大学出版社，1998.
关键词： 车架；有限元；ANSYS；结构分析；优化
汽车车架作为汽车总成的一部分，是整个汽车的基体，承受着来自路面及装载的各种复杂载荷的作用，汽车上许多重要总成部件都是以车架为安装载体，其强度和刚度在汽车设计中有重要的作用。采用传统理论分析方法，建立数学模型求解方程组，较难获得方程组的解。伴随计算机技术的发展，有限元分析法的优势凸显，得到了广泛应用。本文利用ANSYS建立半挂汽车车架有限元模型，选取弯曲和紧急制动工况，施加不同载荷和约束条件，进行车架形变和应变分析。
1 半挂车车架三维模型建立
本文选用的半挂汽车车架是边梁式车架，整个车架长为12050mm，前悬1160mm，轴距为8400mm。主要由两根纵梁和若干横梁组成该车架的纵梁结构采用平板式，横截面断面为工字形，横梁断面亦采用“工”字型断面，提升载荷传递效率。其中两纵梁连接采用横梁与纵梁下翼板、腹板和上翼板焊接连接的方式。
在不影响计算结果精度的前提下，为了提升计算效率，将车架三维模型进行如下简化：省略凸台、销孔、防护网等部件。利用CATIA软件完成半挂车车架模型的建立，如图1所示。
2 车架有限元模型的建立
有限元分析法是伴随计算机的发展而快速发展并应用于结构分析的一种现代计算方法，现已成为汽车设计中的重要环节，能够能明显缩短产品设计周期。本文将CATIA绘制的车架三维模型导入ANSYS，经前处理后建立车架有限元分析模型[1]-[2]。
2.1 模型导入
将三维模型以IGES格式导入ANSYS中，由于软件间存在兼容性问题，为了提升网格质量，对部分线、面进行进一步的修改。
2.2 材料属性
车架材料选用16Mn低合金结构钢，假设车架结构材料是均匀材料且各向同性。具体材料参数如下：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3，屈服极限360MPa，抗拉强度550MPa。
2.3 网格划分
网格类型选用Solid187，网格大小设定50mm，四面体网格，共生成单元总数为77546个，节点总数为158439个。网格划分模型如图2所示。
2.4 边界约束
模拟的工况不同，为了获得更精确的仿真结果，采用不同约束条件。半挂车前部通过牵引销与牵引车连接，简化为全自由度约束。对于匀速行驶工况，车架后部两纵梁下方的支撑板处也采用全约束。紧急制动工况，车架前部为全约束，后部车轮位置施加垂直方向约束[3]-[5]。论文不考虑钢板弹簧的作用。
2.5 载荷设置
半挂车车架所承受的载荷质量主要包括罐体质量以及载货质量。半挂车额定载重30t，自重1.0t，静态分析时，采用均布载荷进行处理。动载系数为1.3，重力加速度为9.8m/s2。
3 仿真与分析
选取2种不同行驶工况，分别施加对应约束和载荷，利用ANSYS对车架进行有限元分析，获得位移和压力云图。
3.1 匀速行驶工况
假定车辆满载下匀速行驶，车架主要承受弯曲载荷，产生弯曲变形，载荷主要为自身质量和承载物质量。经有限元分析得到车架的变形图和应力云图，如图3、4所示
3.2 紧急制动工况
紧急制动时，车辆制动减速度为5m/s2，车架所受载荷为自重、载重和制动惯性力。经有限元分析得到车架的变形图和应力云图，如图5、6所示。
3.3 结果分析
分析各工况车架的变形位移图和应力云图，得到各工况下最大变形量和最大应力值，如表1所示。
匀速行驶工况下，车架的最大变形量为1.6753mm，位于车架纵梁中前部，变形量小于车架纵梁所允许的最大变形位移（最大位移量=[0.002--0.003]*L）要求[6]，該车架满足刚度要求。分析应力云图知，最大应力位于牵引销两侧纵梁区域，数值为58.97MPa，小于材料的应力极限，车架的强度满足要求。紧急制动工况下，车架最大变形量为1.6816mm，最大应力值为58.10MPa，变形量及应力值均满足车架的强度刚度要求。
4 优化设计
设计的车架强度和刚度均满足使用要求，但该纵梁的最大应力多集中在主纵梁中间悬空位置。为了减小应力集中现象，增加车架的承载能力，采用增加主纵梁截面高度，在应力集中位置采用加强筋或加强板的方式，提高强度，增大承载能力，如图7所示。
优化改进后的车架经有限元分析后，得到的应力应变云图如图8、9所示。优化后，车架所受的最大应力为48.5MPa，最大变形量为1.37mm。与优化前相比，最大应力值和最大变形量都有降低，明显提高了主纵梁整体强度和刚度。
5 总结
本文选取半挂车车架为研究对象，设计建模并利用有限元法对车架强度、刚度展开研究，通過不同工况下车架最大变形量和最大应力值的计算得出，该车架的强度和刚度符合设计要求，并根据分析结果对车架纵梁进行优化设计，减小应力应变值，提升承载能力。■
参考文献
[1] Klaus-Jürgen Bathe. 有限元法[M]. 北京：高等教育出版社，2016.
[2] 谭继锦，张代胜. 汽车结构有限元分析[M]. 北京：清华大学出版社，2009.
[3] 朱永强，仪垂杰.低货台半挂车右主纵梁有限元分析[J].专用汽车，2002（1）：5-6.
[4] 孙启会， 闵鹏. 有限元法在汽车车架分析中的应用[J]. 重型汽车，2001（5）：20-21.
[5] 徐建全. 平板式半挂车车架有限元分析[J]. 福建工程学院学报，2001（5）：20-21.
[6] 徐达，蒋崇贤. 专用汽车结构与设计[M]. 北京：北京理工大学出版社，1998.