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摘要
建立了某货车车架简化模型，分别在满载弯曲、满载扭转、紧急制动三种工况下，对车架施加相应的边界约束和载荷约束，进行了静力响应分析，获得了其应力应变图；同时计算了其在自由状态下的振动特性，获得了前6阶固有频率。本文所分析的车架特点为车身与车架全部使用螺钉连接，所以车架上有非常繁多的螺栓结构，由于Simsolid软件可以自动识别螺栓结构，且不用画网格，这大大节省了整个静态分析的时间，可以十分快速的根据静力分析获得的结果，找出车架薄弱部分。
1. 车架模型的建立
车架由若干纵梁和横梁构成，横、纵梁都是结构复杂的板桥体，且厚度不同。将Creo Parametric 5.0创建的车架模型导入Simsolid中，利用其自动识别特征功能，快速识别出该车架的数量繁多的螺栓结构；创建自动连接，注意到该车架由上下板件组成，两板之间的连接方式为sliding，做一下更改；赋予车架参数属性即完成建模。其材料采用宝钢B550L钢板，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7850 kg/m3。Simsolid自带材料数据库中并没有与之对应的材料，经查阅钢材性能参数的相关资料，自行创建了该材料的数据库。有限元模型如图1所示。
图1 车架有限元模型
模型信息如图2所示。
图2 模型信息参数
2. 模态分析
在Simsolid中对其有限元模型进行自由模态分析，得到前6阶固有频率，如表1所示。
表1 车架前6阶固有频率
阶数 固有频率（Hz）
1 9.806
2 15.021
3 20.966
4 21.688
5 22.567
6 25.413
货车在工作过程中，激励多来自发动机和路面，目前高等级路面的激励频率多在3Hz以下，本文载货车采用6缸四冲程发动机，怠速为800r/min，计算得怠速时发动机激励频率为40Hz。由表1可见，该车架前6阶固有频率都在3～40 Hz安全范围内，满足要求，较好地避免了共振。
3. 模型静力学分析
车辆行驶过程中，作用在车架上的载荷很复杂，本文对车辆在三种工况下进行静力学分析，即满载弯曲工况、满载扭转工况、紧急制动工况。
满载弯曲工况时，约束左前轮的x、y、z方向平动，右前轮y、z方向平动，左后轮x、z方向平动和右后轮z方向平动；载荷考虑驾驶室、动力系统、货箱、载货以及车架自重。将驾驶室、动力系统等载荷以集中载荷的形式加到车架对应的部位上；对于车架自重，则以密度的形式折算到车架上进行模拟，对于货箱以及货物重量，其加载范围较大，以均布载荷的形式施加在车架相应位置上。计算结果如图3、图4所示。
图3 满载弯曲工况下应变图
图4 满载弯曲情况下的应力图
图3、图4为车架在满载弯曲工况下的应变、应力图，最大变形量为0.621mm；最大应力值为70.632MPa。
满载扭转工况时，约束左前轮x、y、z方向平动，右前轮y、z方向平动，左后轮x、z方向平动，释放左后轮y向旋转，释放右后轮；载荷同弯曲。计算结果如图5、图6。
图5 满载扭转工况下的应变图
图6 满载扭转工况下的应力图
图5、图6为满载扭转工况下的车架应变、应力图，最大变形量5.894mm；最大应力值为189.2MPa，此时行驶车辆一侧车轮会悬空，所以悬空处应变会变大。
紧急制动工况时，约束左前轮和左后轮的x、y、z的平动，右前轮和右后轮y、z方向的平动，载荷同弯曲。计算结果如图7、图8所示。
图7 紧急制动工况下的应变图
图8 紧急制动工况下的应力图
图7、图8为车架在紧急制动工况下的应变、应力图，最大变形值为0.598mm；最大应力值为71.597MPa。
由以上云图可以看出：车架的最大应力为189.2MPa，发生部位如图6所示；车架其他部位应力都远小于189.2MPa，而B550L钢板的屈服极限是355MPa，车架上应力小于材料屈服极限应力，满足强度要求；而车架最大位移大约为5.894mm，发生部位如图5所示。以上分析结果表明：车架强度满足要求。
5.过程感受
由于本人刚开始接触有限元仿真
，目前仅对ANSYS Workbench有非常有限的了解，可以说Simsolid是自己真正独立分析的第一款软件。对于新手来说，我最明显的感受就是SimSolid主界面还是十分友好的，虽然现在的功能还不是十分全面，但计算效率相对于传统有限元软件不是一个量级，通过观看视频中的数据对比可以看出，SimSolid在保证高效计算的基础上，还可以保证计算结果不偏离正确方向，这在模型设计初期还是非常有用的，从授课老师的介绍中也是可以了解到目前这款软件得到了很多国外的工程师青睐，相信simsolid可以作为一款革命性软件存在于仿真界中。
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