基于HyperWorks的重型自卸汽车车架有限元分析和改进设计

基于HyperWorks的重型自卸汽车车架有限元分析和改进设计0引言车架的结构和所承受的载荷十分复杂，概括起来，主要包括纵向弯曲、扭转、横向弯曲、水平菱形扭转以及它们的组合，因此车架的刚度和强度计算只有采用有限元法才能得到满意的结果,基于有限元法的车架计算，应首先根据车架结构，建立实体模型；然后对实体模型进行网格划分，建立车架的有限元计算模型，确定载荷和约束条件；计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标；分析计算结果，将其与设计要求对比，确定是否符合要求；最后将方案进行对比并确定最终设计方案。ALTAIR公司HyperWorks7.0是一款功能强大的有限元分析软件，在进行有限元分析的同时，能对结构进行优化,首先利用Pro/Engineer软件对车架进行了三维实体参数化建模，并将模型导入HyperWorks软件中进行边界条件设定、加载、网格划分、计算及后处理,具体流程参见图1。某重型自卸汽车车架在使用过程中发现，纵梁上与第四横梁连接附近产生裂纹，最终导致纵梁断裂的严重后果，初步分析认为该区域应力过大所致。本文中针对该纵梁断裂问题，对车架结构的#种设计方案分别进行有限元分析!分析车架在纯弯、弯扭组合、侧向转弯、紧急制动、卸载时油缸举升等工况下的应力状况，精细分析了第四横梁附近纵梁下翼面6个螺栓孔附近的应力状况。结合各工况分析结果，对该车车架进行合理评价，并提出改进方案，解决纵梁断裂问题。1车架的有限元模型由于该车架结构主要是板材结构，因此模型化时主要采用薄板单元，所有焊接、铆接、螺栓连接用刚性单元和梁单元模拟，车架悬置板簧则用弹簧元模拟。车架有限元模型如图2所示。原方案第四横梁处有限元模型如图3所示。划分后车架的单元数量为385469,PIII/256M以上微机在3h内可以完成1个工况的解算工作。新方案改为采用第四横梁与纵梁腹板连接，横梁形状设计以下4种方案以供分析比较，如图4所示。2载荷与工况该车架主要结构都采用优质碳素钢，材料弹性模量E为208GPa，泊松比u为0.3，密度为7.84x10*-6kg/mm3。前板簧刚度垂直刚度系数C=3977N/cm，后板簧垂直刚度系数C=29355N/cm。2.1强度计算进行强度分析时，作用于车架上的主要载荷见表1，加载时主要考虑了驾驶室、动力总成、油箱、电瓶、消声器、备胎、储气筒、车厢、货物等质量，载荷及作用点如图5所示。1）弯曲工况：模拟车辆满载行使在平坦路面上工况，计算车架应力分布情况，此时只约束前后轮轴的垂直方向位移。2）弯扭组合工况：模拟车辆满载行使在凸凹不平路面上工况，左前轮上凸起（高度为80m），右前轮下凹（深度为80m），此时约束后轮垂直方向的位移。3）侧向转弯工况：模拟车辆满载行使在平坦路面上侧向转弯时，考虑离心力作用的工况。2.2刚度计算1）弯曲刚度：约束后悬置架于后轴连接处的垂直位移和前悬置与前轴连接处的垂直位移。并在前后轴的中心距离所对应的车架纵梁上施加一个垂直向下的作用力，其值为1000kgf。2）扭转刚度：在前悬架处施加扭矩T=1000kgf·m（通过施加左上右下的集中力来实现），在后悬架约束点施加约束，让车架产生纯扭转变形。3）横向刚度：截取一段纵梁，约束一侧纵梁的横向位移。并在另侧纵梁上施加两个横向的作用力，其值为1000kgf，对横梁产生横向拉伸。依纵梁上腹板下部某点的位移判定其横梁横向刚度的大小。如图6所示。3计算结果及评价3.1模态分析结果结构的动态分析中，最基本也是最重要的为结构的固有模态分析。因为结构的基本模态，是了解结构动态特性的重要手段，其目的在于优化分析对象以控制其频率与模态振型。本文中对该车架的,种方案进行了自由振动模态分析，比较5种结构的频率，为结构系统诸多动态行为提供研判依据。分析采用BlockLanczos算法，计算提取了车架7阶振动模态。由于车架,种方案只是第四横梁形状不同，振型基本一样，所以只列出原方案的振型图，图7~图9为各方案模态振型图。频率和振型描述如表2所示。由表2可以看出4种新方案与原方案的整体一阶扭转频率值基本相当。3.2刚度计算结果5种方案的车架扭转刚度和弯曲刚度见表3。可以看出，各方案的扭转刚度和弯曲刚度值基本相当，但新方案d）横向刚度最大。3.3强度分析结果5种方案在各工况下的强度及对比说明见表4，其中：应力1为整体最大应力，应力2为重点分析横梁部位的最大应力，应力3为下翼面6个螺栓附近的最大应力。对5种方案在各工况下的应力分布云图进行分析，发现以下规律：1）除了油缸举升工况外，其他工况5种方案整体最大应力值及分布部位规律一致，位于后悬置连接板（下三角板）处，而油缸举升工况分布于支撑油缸的副横梁附近的车架纵梁处。2）对于重点关注的横梁部位的最大应力，各工况下原方案高于新方案，位于内纵梁下翼面第)和第,螺栓附近处，各新方案横梁附近处的最大应力值大幅降低且相差不大，位于连接板与内纵梁腹板连接的外侧螺栓处。3）对于重点关注的纵梁下翼面处,个螺栓附近最大应力，原方案应力值最大，4种新方案的应力值相差不大。新方案比原方案应力值降低约35%以上。限于篇幅，图10只示出弯扭组合工况下5种方案的下翼面,个螺栓附近的最大应力分布云图。4结论1）通过对原方案在各工况下的计算，第1、第6螺栓附近的应力水平较高，因此，不应在此开孔。2）4种新方案与原方案相比，整体最大应力值及分布部位规律一致；横梁附近及纵梁下翼面的应力水平明显降低，新方案可行。3）4种新方案相互比较，整体一阶扭转频率、刚度值相差不大；车架的整体最大应力值及分布部位规律一致1从降低成本角度考虑，鳄鱼横梁质量小，优先选取。但从4种新方案中横梁的横向刚度考虑，优先选取新方案d）。