自卸车车架有限元分析 客车车架有限元分析及尺寸优化
摘要：以某客车车架为对象，利用HyperWorks建立了车架的有限元模型并对其进行了刚度和模态分析，在此基础上，以质量最小为目标，在不降低刚度和模态性能的前提下，对车架进行了尺寸优化。
关键词：车架；HyperWorks；刚度；模态；尺寸优化
中图分类号：U463.32 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）04-0035-05
Finite Element Analysis and Size Optimization of a Bus Frame
WANG Song1，2，YAN Yun-bing1，ZHANG Sheng-lan2
（1.College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Sci&Tech，Wuhan 430081，China；
2.Dept. of Automobile Engineering，Hubei Automobile Industry Institute，Shiyan 442002 China）
Abstract：Taking the frame of a bus as the object，the finite element model of the frame is established by HyperWorks and its stiffness and modes are analyzed. At the basis of this，with an objective of minimizing the mass，the size optimization of the frame is conducted on the premise that the stiffness and modal performance is not reduced.
Key words：frame；Hyper Works；stiffness；mode；size optimization
车架的刚度和模态是评价车架性能的两个重要指标，车架必须有足够的静刚度以保证其装配和使用要求，同时必须有合理的动态特性以控制振动和噪声，另外，车架还要尽可能轻以降低成本、提高燃油经济性和动力性［1］。如何在保证刚度和模态性能的前提下使车架的质量尽可能低是车架设计的一个重要环节。通过有限元方法可以分析计算出车架的弯曲、扭转刚度和模态振型，并可以此为基础对车架进行结构优化。
1 基于HyperWorks的有限元建模
本文研究的车架长约7.65 m，宽约0.85 m，高约0.85 m，由下面两根主纵梁、上面两根副纵梁、尾部两根行李托架和上下1根横梁组成，结构如图1所示。
1.1 网格划分
使用优秀的前处理工具HyperMesh进行网格划分，车架的大部分都是薄壁件，于是采用壳单元进行建模，以四边形为主，三角形为辅。划分网格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上划分网格。考虑到车架的实际尺寸，有限元模型的精确度，单元尺寸取10 mm。车架的结构比较复杂，零件间的连接方式是焊接、铆接和螺栓连接。为了简化模型而又不失真实性，选用1D的RIGID刚性单元（RBE2）模拟各种连接。最后，整个车架被划分为138 167个壳单元，2 577个RIGID单元，网格模型如图2所示。
1.2 材料与属性
对于壳单元建模而言，网格划分完毕后，需要赋予材料参数和厚度参数，才算建立起有限元力学模型。本车架钢材号为DL510，有限元计算时的材料参数：弹性模量E=2.1×105 MPa；泊松比?滋=0.3；密度?籽=7.8×109 ton/mm3；板件厚度为1.5 ～8.0 mm不等。
2 刚度分析
2.1 弯曲刚度分析
参照车架刚度试验方法来模拟弯曲刚度与扭转刚度的边界条件［2］。
计算弯曲刚度时，约束前后桥在车架纵梁上的竖直投影点的垂直位移，在前后约束中点处施加一垂直向下的集中力F，让车架模拟简支梁的结构产生纯弯曲变形，车架弯曲刚度的边界条件如图3所示。
车架的弯曲刚度计算公式如下：
CB=■×■ （1）
式中：CB为弯曲刚度（Nm2）；F为集中载荷（N）；f为载荷作用处的挠度（m）；a为轴距（m）。
当F=1 000 时，车架的变形结果如图4所示。车架载荷作用点的最大挠度fmax=0.3 726 mm，代入公式中得到弯曲刚度CB=3.07×106 Nm2。根据使用要求和经验，车架在正常使用条件下，弯曲刚度应保证在前后轴中点处施加1 kN载荷时挠度值不大于0.85 mm ［3］，该车架的弯曲挠度在容许挠度范围内，车架满足弯曲刚度要求。此车架的弯曲挠度比容许挠度小很多，弯曲刚度比较高。
2.2 扭转刚度分析
计算车架扭转刚度时，约束前桥在车架右纵梁上的竖直投影点的垂直位移，约束后桥在车架左纵梁上的竖直投影点的垂直位移，于后桥在车架右纵梁上的竖直投影点处施加一垂直向上的载荷，让车架产生纯扭转变形，车架扭转刚度的边界条件如图5所示。
车架的扭转刚度计算公式如下：
CT=■·■ （2）
式中：CT为扭转刚度（Nm/°）；F为集中载荷（N）；L为力臂（m）；h为挠度（m）。
当F=1 000 N时，车架的变形结果如图6所示。车架载荷作用点的最大挠度hmax=8.822 mm ，根据公式得车架的扭转刚度CT=1 432 Nm/°。对比相关文献，本车架的扭转刚度比较高。这也从有限元计算的角度说明了带有副车架的双层车架的弯曲与扭转刚度比较大。