农用车车架强度分析

农用车车架有限元强度分析

武汉理工大学

柴苍修马力王元良李春光

2001.02.16

摘要

本文介绍了基于3D板壳元和约束方程的农用车车架有限元计算模型的建立方法，用有限元法计算分析了农用车车架在弯曲工况和弯扭组合工况下的应力水平和应力分布，讨论了车架在车辆正常使用和严重超载时的强度问题，并提出了车架的改进设计意见。

关键词：农用车、有限元、强度

0．引言

汽车车架应具有足够的抗弯强度和抗扭强度。对于农用车来说，由于其使用环境相对较差，因而这一点显得特别重要。本文根据设计使用的实际情况，用ANSYS 有限元分析系统对CMWL2008CD型农用车的车架进行了计算分析。

较传统的车架有限元分析一般将车架简化成空间杆系结构采用空间梁元进行计算[]1。这种方法计算速度快、需要计算机内外存资源较少，能较好地反映车

架的整体应力水平及其分布情况。由于这种计算模型对真实车架结构的简化和近似处理较多，因而较难反映出车架的应力集中以及局部应力分布和应力水平，难以满足实际设计分析要求。

本文首先介绍了CMWL2008CD型农用车车架的结构特点，在此基础上建立了基于3D板壳元和约束方程的车架有限元计算模型，这种模型较早期的3D板壳元

车架模型[]2更接近实际情况。文中介绍了计算模型的建立方法和处理技术，并用

该模型计算分析了车架在弯曲工况和弯扭组合工况下的应力水平和应力分布。鉴于该型农用车在实际使用中曾出现过超载情况，本文还计算讨论了车架在车辆严重超载时的强度问题。最后提出了车架的改进设计意见和实际使用中应注意的强度问题。

1．车架结构特点

CMWL2008CD型农用车的车架为边梁式车架。左右两根纵梁分别与前横梁1、散热器横梁2、变速箱横梁3、传动轴支座横梁4、架驶室后支座横梁5、液压油箱前（后）横梁6（7）、后板簧前（后）吊耳加强横梁8（10）、液压油缸支架9以及后横梁11铆接在一起。为提高承载能力，在左右纵梁中后部还设计有纵梁加强盒(C-D段)12和(A-B段)13。车架结构示意图如图1-1所示。

左右纵梁为槽形截面，纵梁加强盒截面形状与纵梁相同；各横梁截面形状各异，除了液压油箱前（后）横梁壁厚为4 mm外，其它各横梁壁厚均为5 mm。整个车架结构在力学上可视为典型的薄壁结构，大梁板材为钢板B-5.0/16MnL。

这种边梁式车架结构抗弯能力较强，但抗扭能力相对较差。由于驾驶室后支

座横梁高于其它纵横梁所处平面，因而该横梁在扭转工况中的贡献较大。

2．车架的载荷与约束

2．1 车架所受载荷的处理 根据静力等效原则，将发动机、驾驶室、驾乘人员、变速箱等各部件的重量对车架的作用向其在车架上的作用点（安装点）简化为车架上集中载荷；货厢的重量与装

载量之和对车架的作用

按货厢与车架的实际接

触面积计算简化为车架

上的均布载荷。设驾乘人员2人，按65KG/

忽略车架自重的影响，不

考虑发动机、驾驶室、变速箱、货厢等部件的刚度对整个车架刚度的贡献。各部件的重量及整车装载量如表2-1所示。

2．2 车架的支撑约束

如忽略轮胎的弹性，则可得车架的载荷与约束示意图如图2-1所示。图中

表2-2 悬架载荷与变形的关系

悬架载荷与变形的关系如表2-2所示，根据表中的数据可计算出悬架的刚度。因为只计算车架的静强度，所以不考虑悬架的阻尼特性。

3．车架有限元计算模型的建立

3．1 有限元计算模型

根据对CMWL2008CD 型农用车的车架结构特点的分析来看，实际上由各纵横梁组成的车架在力学上是典型的3D 板壳结构，因此本文采用4节点、24个自由度的3D 板壳元来离散整个车架结构；采用约束方程来模拟纵横梁的铆接关系；采用2节点、12个自由度的3D 连接元来处理前板簧和后悬架的主副板簧。这是目前较先进的计算模型和处理方法。

车架纵横梁连接处的局部放大网格划分如图3-1所示。图中纵横梁的几何关系描述准确，但铆接的约束关系没有直接表示出来，在计算时通过约束方程来实现。车架节点总数为10816，结构自由度总数为64896。 3．2 板壳单元

本文采用三维板壳元来离散车架各纵横梁。该单元有4个节点，如图3-2

图1-1 车架结构示意图 图2—1 车架力载荷与支撑示意图

所示。

每个节点有6个自由度，分别为沿3个坐标方向的移动u 、v 、w 和绕3个坐标轴的转角x θ、y θ、z θ。单元节点位移矢量为：

{}{}T l k j i δδδδδ=

其中

{}{}zi yi

xi i i i

i w v u θθθδ=

式中l k j i i ,,,=。节点力分别为沿坐标方向的力和绕坐标轴的转矩，即

{}{}T

l k

j

i

F F F F F =

其中 {}{}zi

yi

xi

i

i

i

i M

M

M

Z Y X F = ),,,(l k j i i =

单元内某点的应力分量为{}{}T

zx yz

xy

z y x

τττσσσσ=

3．3 约束方程

本文用节点间的线性约束方程来模拟纵横梁之间的连接关系。如图3-3所示，设节点j 相对节点i 在坐标Y 方向有一偏移距e,若将节点i 和节点j 的位移矢量分别表示为:

{}{}T

zi yi

xi i i i

i w v u θθθδ=

{}{}T

zj yj

xj j

j

j

j

w v u

θθθδ

=

则可写出它们之间的约束方为:

{}[]{}i

j

P δδ=

其中

[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=01

00100000100

00001000001e e P

式中[]P 可视为转换矩阵，i 节点为主节点, j 节点为从节点。如果j 节点相对i 节点在X 轴和Z 轴方向也有偏移距，同理可推出相应的约束方程。

对单个铆钉来说，这种模拟在板面法向转角自由度上有较大误差。但实际车架纵横梁连接面上有大量铆钉连接，因而这种模拟整体上可得到良好的近似，且前处理工作量较小，纵横梁的几何关系容易得到保证。

图3-1 网格局部放大

图3-3 主从节点示意图