车架有限元强度分析及轻量化设计

图1㊀车架截面参数
longjunhua@㊂
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图2㊀车架受力简化示意
T 2处力矩平衡原理,计算出支反力T 1
T 1=[F 1k (k /2-n )+F 2w (m -w /2-v )]/m (2式中:T 1为前桥中心处对车架的支反力,N ;
T 2为中后桥中心处对车架的支反力,N ;
F 1为底盘簧上质量在车架上的均布载荷,N /m ;F 2为装在车架上的分布载荷,N /m ;y 为上装质心位置,m ㊂
根据平衡方程,得出L 处的截面弯矩和剪力分别为:
M =F 1(L +s )2/2+F 2(L -v )2/2-F 1L
(3Q =F 1(L +s )+F 2(L -v )-T 1
(4当剪力Q =0时,M 出现极值M 0;当支反力R 1㊁R 处M 亦出现拐点M 1,M 2㊂最大弯矩M max 取三者之间的最大值,考虑实际使用条件和安全系数,最大弯矩M max 取2倍静载荷条件㊂故单根纵梁断面的最大弯曲应力为:
δmax =2M max
W X
ɤσS (5式中:σS 为材料的屈服强度㊂
根据式(1)和式(5)来初步确定车架的截面尺寸㊂
2㊀车架有限元模型的建立
根据上述确定的车架截面利用Catia 软件进行车架总体设计,完成设计后通过有限元仿真软件Hyperworks 进行车架总体强度分析㊂
图3㊀车架有限元模型
3㊀车架强度分析结果3.1㊀载荷与边界
重卡牵引车车架在行驶过程中主要承受4种工况,分别是弯曲工况㊁转向工况㊁制动工况㊁扭转工况,这4种工况施加载荷见表1,边界条件见表2㊂
表1㊀4种工况下载荷情况
㊀弯曲工况/g
转向工况/g
制动工况/g
扭转工况/g
x 00-0.70y
0-0.200z
-2.5
-1
-1
-1
注:x 表示前进方向,y 表示转弯方向,z 表示垂直地面方向㊂
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图4㊀弯曲工况车架应力云图
图5㊀转向工况车架应力云图
图6㊀制动工况车架应力云图
图7㊀扭转工况车架应力云图
4种工况下最大应力见表3㊂
表3㊀4种工况下最大应力
㊀弯曲工况转向工况制动工况扭转工况最大应力/MPa 344.8324.7285310最大应
力位置
第二横梁附近,油箱连接处
第二横梁附近,油箱连接处
第二横梁附近,油箱连接处
第四横梁附近,悬置安装处
由表3可知,车架纵梁和横梁材料为B510L ,材料的屈服强度355MPa [1],以上4种工况最大应力334.8MPa ,小于材料的屈服强度,满足强度评判要求㊂
4　轻量化设计
根据应力云图,对车架受力不大的地方进行轻量化设计㊂具体措施为:将第三横梁处下连接板厚度10mm 改为8mm ,纵梁上连接板厚度8mm 改为6mm ,左右位置各两次,如图8所示㊂
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图8㊀车架轻量化位置
车架减重后应力云图如图9 图12所示㊂
图9㊀减重后弯曲工况车架应力云图
图10㊀减重后转向工况车架应力云图
图11㊀减重后制动工况车架应力云图
图12㊀减重后扭转工况车架应力云图
可以看出,车架减重后与减重前4种工况下,车架承受的最大应力相当,满足强度要求㊂
车架共减轻15.4kg ,4种工况下最大应力见表4㊂
表4㊀4种工况下最大应力
kg
㊀
原质量改后质量共减重横梁下连接板7.9ˑ2 6.3ˑ2纵梁上连接板
24.4ˑ2
18.3ˑ2
15.4
结论
文中首先通过理论公式对车架纵梁截面进行选择按此截面设计完成车架总成后,通过有限元仿真分析对车架总成进行实际道路上各种工况下的强度分析㊂根据应力结果,提出了横梁和纵梁连接板的减轻方案,结果显示,减重后和减重前应力相当,满足强度要求㊂
通过对车架的有限元分析,前期设计之初可以大大缩短时间,提高产品准确率㊂
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