有限元技术在自卸车结构优化中的应用案例

摘  要：

本文以现有北奔重型自卸车车架为基础上，通过更改车架上的局部结构，对更改后的局部结构及车架建立了有限元模型，利用NASTRAN软件进行求解计算。根据此类车型实际使用情况，对车架的弯曲、扭转及急转弯等工况进行了车架的强度分析，得到新设计结构改进前后相应工况下应力分布云图。

关键词：车架；整体结构横梁；NASTRAN；有限元分析

引言

北奔6X4某类型自卸车经常在矿区使用，平衡悬挂处的背靠背横梁经常发生断裂，严重影响客户的使用，为了满足此地区的客户要求，北奔设计人员针对此类问题，将原来的锻件横梁改为整体铸造横梁。

针对这种新结构，在试验过程中，发生了整体铸造横梁断裂现象，如下图1.1所示。针对断裂现象，北奔设计人员提出了很多解决方案，例如加大断裂处的铸造圆角，移动铸造横梁附件的横梁，在铸造横梁附近添加横梁等方案，通过仿真计算，发现这几种方案对于整体铸造横梁的受力几乎没有影响。最终北奔设计人员将整体铸造横梁重新做了设计。改进后的新结构横梁，仿真计算时都能满足设计指标，而且在实际路试中没有再出现断裂现象。图1.2为新设计的结构改进后的结构示意图。

图1.1 新设计整体铸造横梁断裂图

（a）改进前新结

（b）改进后新结

图1.2 整体铸造横梁新结构改进前后示意图

2.车架有限元模型

图2计算时的有限元模型

车架的有限元模型包括：车架总成，副车架总成，简化的悬架、桥、轮胎。车架总成主要是由纵梁、衬梁、横梁总成、整体铸造横梁等零部件构成。车架纵梁、衬梁、横梁，筋板等钣金件都是等壁厚的，采用壳单元对这些部件划分，整体铸造横梁采用详细的四面体十节点实体单元划分。副车架总成为焊接车架模型，副车架里模型主要是钣金件及型材，所以全部采用壳单元模拟，焊接部位采用相应的壳单元来模拟。悬架主要包括：前后钢板弹簧支座、平衡轴、钢板弹簧、横向稳定杆。前后钢板弹簧支座、平衡轴等都是铸件，采用四面体十节点实体单元模拟，稳定杆采用杆单元模拟。 桥、轮胎采用简化的梁单元模拟，桥与横向稳定杆、桥与板簧的连接采用简化的梁单元模拟。计算时根据板簧和稳定杆的工作原理，释放前后板簧及横向稳定杆的相应自由度。

2.1 主要参数及材料常数

前桥悬架钢板弹簧满载垂向刚度为372N/mm，中后桥平衡悬架钢板弹簧满载垂向刚度为2174N/mm，钣金件的弹性模型为2.02x10⁵,泊松比0.3；铸件的弹性模量1.74x10⁵，泊松比0.3。

2.2 边界条件处理

2.2.1 钢板弹簧的模拟

采用等效刚度的等截面直梁模拟前后钢板弹簧，等效刚度的等截面直梁长度、截面参数及弹性模量等物理特性根据材料力学相关理论进行确定：当直梁的截面宽度和高度满足H³B=KL3/4E时，等截面的直梁满足在其两端约束情况下中点处的等效刚度为K。式中H为梁截面高度，B为截面宽度，E为等效梁的弹性模量，L为等效梁的长度，K为钢板弹簧的等效刚度。

2.2.2 连接处理

根据紧固件的几何和物理参数，采用梁单元模拟主纵梁、衬梁、横梁总成、平衡轴等部件的连接关系。

2.2.3 副车架与主车架接触处理

副车架与主车架在接触部分采用杆单元模拟。

2.2.4 约束位置

约束施加在简化的轮胎模拟处。

2.2.5 载荷条件

载荷的施加，根据自卸车的使用条件，载荷按55吨计算，按着实际使用条件，分布到副车架上。根据实际使用条件，模拟了三种工况：弯曲工况，扭转工况，转弯工况。计算时，由于动力总成、驾驶室、油箱，电瓶等相对于载荷质量较小，且考察的主要指标是整体铸造横梁，它们质量对整体横梁影响很小，所以计算时忽略了这几处的质量。

2.2.6 单元质量检查

在单元划分时，壳单元主要控制了斜度（skewness）、锥度(taper)、雅可比（jacobian）、及长宽比（aspect ratio）。实体单元主要控制了棱长比（aspect ratio）、面翘曲（warping）及雅可比（jacobian）。

3 车架的有限元分析结果

图3.1 各个评价点示意图

3.1弯曲工况计算结果

图3.2 弯曲工况等效应力示意图

表3.1 弯曲工况新结构改进前后最大等效应力对比表

经过计算得到应力云图3.2所示，在弯曲工况下，新结构改进前后的最大等效应力分析结果见表3.1所示。新结构改进前的最大等效应力为1166MPa；改进后的新结构最大等效应力为517.3MPa，小于材料的屈服极限600MPa（材料GGG60）。

3.2 扭转工况计算结果

图3.3 扭转工况等效应力示意图

表3.2 扭转工况新结构改进前后最大等效应力对比表

经过计算得到应力如图3.3所示，扭转工况下，新结构改进前后的最大等效应力分析结果见表3.2所示。新结构改进前的最大等效应力为643.1MPa；改进后的新结构最大等效应力为270.9MPa，小于材料的屈服极限600MPa（材料GGG60）。

3.3 转弯工况

图3.4 转弯工况等效应力示意图

表3.3 转弯工况新结构改进前后最大等效应力对比表

经过计算得到转弯工况下最大等效应力云图如图3.4所示，新结构改进前后的最大等效应力分析结果见表3.3所示。新结构改进前的最大等效应力为1175MPa；改进后的新结构最大等效应力为541.2MPa，小于材料的屈服极限600MPa（材料GGG60）。

4.结果分析

本文主要针对新设计的铸造横梁进行分析计算，计算时，将铸造横梁放入到整个车架里，避免了单个横梁计算时的工况模拟失真的情况，切实解决了新结构的断裂问题。由于使用路况复杂，我们只模拟了最常用的三种工况，弯曲工况，扭转工况，转弯工况。

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